Nükleer reaktörün çalışma prensibi. Nükleer reaktör nasıl çalışır? Çalışan bir nükleer reaktörün videosu

Nükleer reaktör sorunsuz ve verimli çalışıyor. Aksi takdirde bildiğiniz gibi sıkıntılar yaşanacaktır. Ama içeride neler oluyor? Bir nükleer (nükleer) reaktörün çalışma prensibini kısaca, açıkça, duraklarla formüle etmeye çalışalım.

Özünde, nükleer bir patlama sırasındaki sürecin aynısı orada da yaşanıyor. Sadece patlama çok hızlı gerçekleşir ve reaktörde her şey uzar. uzun zaman. Sonuç olarak her şey güvende ve sağlam kalır ve enerji alırız. Etraftaki her şey bir anda yok olacak kadar değil ama şehre elektrik sağlamaya yetecek kadar.

Kontrollü bir nükleer reaksiyonun nasıl oluştuğunu anlamadan önce bunun ne olduğunu bilmeniz gerekir. Nükleer reaksiyon hiç de.

Nükleer reaksiyon atom çekirdeğinin etkileşime girdiğinde dönüşümü (bölünmesi) sürecidir. temel parçacıklar ve gama ışınları.

Nükleer reaksiyonlar enerjinin hem emilmesi hem de serbest bırakılmasıyla meydana gelebilir. Reaktör ikinci reaksiyonları kullanır.

Nükleer reaktör amacı, enerjinin serbest bırakılmasıyla kontrollü bir nükleer reaksiyonu sürdürmek olan bir cihazdır.

Genellikle bir nükleer reaktöre atomik reaktör de denir. Burada temel bir fark olmadığını belirtelim ancak bilim açısından “nükleer” kelimesini kullanmanın daha doğru olduğunu belirtelim. Artık birçok nükleer reaktör türü var. Bunlar enerji santrallerinde, nükleer reaktörlerde enerji üretmek için tasarlanmış devasa endüstriyel reaktörlerdir. denizaltılar kullanılan küçük deneysel reaktörler bilimsel deneyler. Deniz suyunu tuzdan arındırmak için kullanılan reaktörler bile var.

Bir nükleer reaktörün yaratılış tarihi

İlk nükleer reaktör çok da uzak olmayan 1942'de fırlatıldı. Bu, Fermi'nin önderliğinde ABD'de gerçekleşti. Bu reaktöre "Chicago Woodpile" adı verildi.

1946'da Kurchatov önderliğinde başlatılan ilk Sovyet reaktörü faaliyete geçti. Bu reaktörün gövdesi yedi metre çapında bir toptu. İlk reaktörlerin soğutma sistemi yoktu ve güçleri minimum düzeydeydi. Bu arada, Sovyet reaktörünün ortalama gücü 20 Watt, Amerikan reaktörünün ise yalnızca 1 Watt gücü vardı. Karşılaştırma için modern güç reaktörlerinin ortalama gücü 5 Gigawatt'tır. İlk reaktörün devreye alınmasından on yıldan az bir süre sonra Obninsk şehrinde dünyanın ilk endüstriyel nükleer enerji santrali açıldı.

Nükleer (nükleer) reaktörün çalışma prensibi

Herhangi biri nükleer reaktör birkaç bölüm var: çekirdek İle yakıt Ve moderatör , nötron reflektörü , soğutucu , kontrol ve koruma sistemi . İzotoplar çoğunlukla reaktörlerde yakıt olarak kullanılır. uranyum (235, 238, 233), plütonyum (239) ve toryum (232). Aktif bölge, içinden akan bir kazandır. sade su(soğutucu). Diğer soğutucular arasında “ağır su” ve sıvı grafit daha az kullanılır. Nükleer santrallerin işleyişinden bahsedersek, ısı üretmek için bir nükleer reaktör kullanılır. Elektriğin kendisi, diğer enerji santrallerinde olduğu gibi aynı yöntem kullanılarak üretilir - buhar bir türbini döndürür ve hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.

Aşağıda bir nükleer reaktörün çalışmasının bir diyagramı bulunmaktadır.

Daha önce de söylediğimiz gibi, ağır bir uranyum çekirdeğinin bozunması, daha hafif elementler ve çok sayıda nötron üretir. Ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklerle çarpışarak onların da bölünmesine neden olur. Aynı zamanda nötronların sayısı da çığ gibi artıyor.

Burada belirtilmesi gereken nötron çarpım faktörü . Yani bu katsayı bire eşit bir değeri aşarsa, nükleer patlama. Değer birden küçükse, çok az nötron vardır ve reaksiyon sona erer. Ancak katsayı değerini bire eşit tutarsanız reaksiyon uzun ve istikrarlı bir şekilde ilerleyecektir.

Soru şu ki, bunun nasıl yapılacağı? Reaktörde yakıt sözde yakıt elemanları (TVELah). Bunlar küçük tabletler şeklinde içeren çubuklardır. nükleer yakıt . Yakıt çubukları, bir reaktörde yüzlerce olabilen altıgen şekilli kasetlere bağlanır. Yakıt çubuklu kasetler dikey olarak düzenlenmiştir ve her yakıt çubuğunun çekirdeğe daldırılma derinliğini ayarlamanıza izin veren bir sistemi vardır. Kasetlerin yanı sıra şunları içerirler: kontrol çubukları Ve acil koruma çubukları . Çubuklar nötronları iyi emen bir malzemeden yapılmıştır. Böylece kontrol çubukları çekirdekte farklı derinliklere indirilebiliyor ve böylece nötron çarpım faktörü ayarlanabiliyor. Acil durum çubukları, acil durumlarda reaktörü kapatmak için tasarlanmıştır.

Nükleer reaktör nasıl çalıştırılır?

Çalışma prensibini çözdük ama reaktörü nasıl çalıştırıp çalıştıracağız? Kabaca konuşursak, işte burada - bir uranyum parçası, ancak zincirleme reaksiyon kendi başına başlamıyor. Gerçek şu ki nükleer fizikte bir kavram var Kritik kitle .

Kritik kütle, bir nükleer zincir reaksiyonu başlatmak için gereken bölünebilir malzemenin kütlesidir.

Yakıt çubukları ve kontrol çubukları yardımıyla önce reaktörde kritik miktarda nükleer yakıt oluşturulur ve ardından birkaç aşamada reaktör optimum güç seviyesine getirilir.

Bu yazımızda sizlere nükleer (nükleer) reaktörün yapısı ve çalışma prensibi hakkında genel bir fikir vermeye çalıştık. Konuyla ilgili sorularınız varsa veya üniversitede nükleer fizikle ilgili bir soru sorulduysa lütfen iletişime geçin. Şirketimizin uzmanlarına. Her zamanki gibi, çalışmalarınızla ilgili herhangi bir acil sorunu çözmenize yardımcı olmaya hazırız. Hazır bu arada dikkatinizi çekecek başka bir eğitici video daha var!

Tasarım ve çalışma prensibi

Enerji salma mekanizması

Bir maddenin dönüşümüne, yalnızca maddenin bir enerji rezervi olması durumunda serbest enerjinin salınması eşlik eder. İkincisi, bir maddenin mikropartiküllerinin, bir geçişin mevcut olduğu diğer olası durumdan daha yüksek bir dinlenme enerjisine sahip bir durumda olduğu anlamına gelir. Kendiliğinden geçiş her zaman bir enerji bariyeri tarafından önlenir; bunun üstesinden gelmek için mikropartikülün dışarıdan belirli bir miktarda enerji alması gerekir - uyarma enerjisi. Ekzoenerjetik reaksiyon, uyarılmayı takip eden dönüşümde, süreci uyarmak için gerekenden daha fazla enerjinin açığa çıkması gerçeğinden oluşur. Enerji bariyerini aşmanın iki yolu vardır: ya çarpışan parçacıkların kinetik enerjisinden dolayı ya da birleşen parçacığın bağlanma enerjisinden dolayı.

Enerji salınımının makroskobik ölçeğini aklımızda tutarsak, o zaman madde parçacıklarının tümü veya başlangıçta en azından bir kısmı, reaksiyonları tetiklemek için gerekli kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bu ancak ortamın sıcaklığının, termal hareket enerjisinin prosesin gidişatını sınırlayan enerji eşiğine yaklaşacağı bir değere yükseltilmesiyle başarılabilir. Moleküler dönüşümler durumunda, yani kimyasal reaksiyonlar böyle bir artış genellikle yüzlerce kelvindir, ancak nükleer reaksiyonlar durumunda en az 10 7'dir. yüksek irtifaÇarpışan çekirdeklerin Coulomb engelleri. Nükleer reaksiyonların termal uyarılması pratikte yalnızca Coulomb bariyerlerinin minimum olduğu (termonükleer füzyon) en hafif çekirdeklerin sentezi sırasında gerçekleştirilir.

Parçacıkların birleştirilmesiyle oluşan uyarım, büyük kinetik enerji gerektirmez ve bu nedenle ortamın sıcaklığına bağlı değildir, çünkü parçacıkların çekici kuvvetlerinin doğasında bulunan kullanılmayan bağlardan kaynaklanır. Ancak reaksiyonları tetiklemek için parçacıkların kendileri gereklidir. Ve yine ayrı bir reaksiyon eylemini değil, makroskobik ölçekte enerji üretimini kastediyorsak, bu ancak bir zincirleme reaksiyon meydana geldiğinde mümkündür. İkincisi, reaksiyonu harekete geçiren parçacıklar, ekzoenerjetik reaksiyonun ürünleri olarak yeniden ortaya çıktığında meydana gelir.

Tasarım

Herhangi bir nükleer reaktör aşağıdaki parçalardan oluşur:

• Nükleer yakıtlı ve moderatörlü çekirdek;
• Çekirdeği çevreleyen nötron reflektörü;
• Acil durum koruması da dahil olmak üzere zincirleme reaksiyon kontrol sistemi;
• Radyasyon koruması;
• Uzaktan kumanda sistemi.

Fiziksel çalışma prensipleri

Ayrıca ana makalelere bakın:

Bir nükleer reaktörün mevcut durumu, etkin nötron çoğalma faktörü ile karakterize edilebilir. k veya reaktivite ρ , aşağıdaki ilişkiyle ilişkilidir:

Bu miktarlar için aşağıdaki değerler tipiktir:

• k> 1 - zincirleme reaksiyon zamanla artar, reaktör süperkritik durumu, reaktivitesi ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - kritik altı, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - nükleer fisyonların sayısı sabittir, reaktör stabildir kritik durum.

Bir nükleer reaktör için kritiklik koşulu:

, Nerede

Çarpma faktörünün birliğe tersine çevrilmesi, nötronların çoğalmasının kayıpları ile dengelenmesiyle sağlanır. Kayıpların aslında iki nedeni var: Fisyon olmadan yakalanma ve nötronların üreme ortamı dışına sızması.

Açıkça görülüyor ki 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.

Termal reaktörler için k 0, “4 faktörlü formül” olarak adlandırılan formülle belirlenebilir:

, Nerede

• η iki absorpsiyon için nötron verimidir.

Modern güç reaktörlerinin hacimleri yüzlerce m³'e ulaşabilir ve esas olarak kritiklik koşullarına göre değil, ısı giderme yeteneklerine göre belirlenir.

Kritik hacim nükleer reaktör - reaktör çekirdeğinin hacmi kritik durum. Kritik kitle- kritik durumda olan reaktörün bölünebilir malzemesinin kütlesi.

Yakıt olarak yakıt kullanan reaktörler en düşük kritik kütleye sahiptir. sulu çözeltiler su nötron reflektörlü saf bölünebilir izotopların tuzları. 235 U için bu kütle 0,8 kg, 239 Pu için ise 0,5 kg'dır. Bununla birlikte, berilyum oksit reflektöre sahip olan LOPO reaktörünün (dünyanın ilk zenginleştirilmiş uranyum reaktörü) kritik kütlesinin, izotop 235 için zenginleştirme derecesinin sadece biraz daha fazla olmasına rağmen 0,565 kg olduğu yaygın olarak bilinmektedir. %14'ten fazla. Teorik olarak en küçük kritik kütleye sahiptir ve bu değer yalnızca 10 g'dır.

Nötron sızıntısını azaltmak için çekirdeğe küresel veya küresele yakın bir şekil verilir, örneğin kısa silindir veya küp, çünkü bu şekiller en küçük yüzey alanı/hacim oranına sahiptir.

(e - 1) değerinin genellikle küçük olmasına rağmen, üremenin rolü hızlı nötronlar oldukça büyüktür, çünkü büyük nükleer reaktörler için (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Bir zincirleme reaksiyonu başlatmak için, uranyum çekirdeğinin kendiliğinden bölünmesi sırasında üretilen nötronlar genellikle yeterlidir. Reaktörü başlatmak için harici bir nötron kaynağının, örneğin ve/veya diğer maddelerin bir karışımının kullanılması da mümkündür.

İyot çukuru

Ana madde: İyot çukuru

İyot çukuru, kısa ömürlü izotop ksenonun birikmesiyle karakterize edilen, kapatıldıktan sonra bir nükleer reaktörün durumudur. Bu süreç, geçici olarak ciddi negatif reaktivitenin ortaya çıkmasına neden olur ve bu da reaktörün belirli bir süre içinde (yaklaşık 1-2 gün) tasarım kapasitesine getirilmesini imkansız hale getirir.

sınıflandırma

Amaca göre

Kullanımlarının niteliğine göre nükleer reaktörler ikiye ayrılır:

• Güç reaktörleri enerji sektöründe kullanılan elektrik ve termal enerjinin üretilmesinin yanı sıra deniz suyunun tuzdan arındırılması için tasarlanmıştır (tuzdan arındırma reaktörleri aynı zamanda endüstriyel olarak da sınıflandırılır). Bu tür reaktörler esas olarak nükleer santrallerde kullanılmaktadır. Modern güç reaktörlerinin termal gücü 5 GW'a ulaşıyor. Ayrı bir grup şunları içerir:
  • Taşıma reaktörleri Araç motorlarına enerji sağlamak için tasarlanmıştır. En geniş uygulama grupları, denizaltılarda ve çeşitli yüzey gemilerinde kullanılan deniz taşıma reaktörlerinin yanı sıra uzay teknolojisinde kullanılan reaktörlerdir.
• Deneysel reaktörler değeri nükleer reaktörlerin tasarımı ve işletilmesi için gerekli olan çeşitli fiziksel büyüklüklerin incelenmesine yöneliktir; Bu tür reaktörlerin gücü birkaç kW'ı geçmez.
• Araştırma reaktörleriÇekirdekte oluşturulan nötron akılarının ve gama kuantasının nükleer fizik, katı hal fiziği, radyasyon kimyası, biyoloji alanındaki araştırmalar için yoğun nötron akılarında (nükleer reaktör parçaları dahil) çalışması amaçlanan malzemeleri test etmek için kullanıldığı izotopların üretimi. Araştırma reaktörlerinin gücü 100 MW'ı geçmiyor. Açığa çıkan enerji genellikle kullanılmaz.
• Endüstriyel (silah, izotop) reaktörlerçeşitli alanlarda kullanılan izotopların üretilmesinde kullanılır. En yaygın olarak 239 Pu gibi nükleer silah malzemeleri üretmek için kullanılır. Deniz suyunun tuzdan arındırılması için kullanılan reaktörler de endüstriyel olarak sınıflandırılır.

Çoğunlukla reaktörler iki veya daha fazla farklı problemi çözmek için kullanılır; bu durumda bunlara reaktörler adı verilir. çok amaçlı. Örneğin, bazı güç reaktörleri, özellikle nükleer enerjinin ilk zamanlarında, öncelikle deney amaçlı tasarlanmıştı. Hızlı nötron reaktörleri aynı anda enerji üretebilir ve izotoplar üretebilir. Endüstriyel reaktörler ana görevlerinin yanı sıra sıklıkla elektrik ve termal enerji de üretirler.

Nötron spektrumuna göre

• Termal (yavaş) nötron reaktörü (“termal reaktör”)
• Hızlı nötron reaktörü ("hızlı reaktör")

Yakıt yerleşimine göre

• Yakıtın, aralarında bir moderatörün bulunduğu bloklar halinde ayrı ayrı çekirdeğe yerleştirildiği heterojen reaktörler;
• Yakıt ve moderatörün homojen bir karışım olduğu (homojen sistem) homojen reaktörler.

Heterojen bir reaktörde, yakıt ve moderatör mekansal olarak ayrılabilir, özellikle boşluklu bir reaktörde, moderatör-reflektör, moderatör içermeyen yakıtla bir boşluğu çevreler. Nükleer fiziksel açıdan bakıldığında, homojenlik/heterojenlik kriteri tasarım değil, yakıt bloklarının belirli bir moderatörde nötron moderasyon uzunluğunu aşan bir mesafeye yerleştirilmesidir. Bu nedenle, "kapalı kafes" olarak adlandırılan reaktörler, içlerinde yakıt genellikle moderatörden ayrılmış olmasına rağmen, homojen olarak tasarlanmıştır.

Heterojen bir reaktördeki nükleer yakıt bloklarına, düzenli bir kafesin düğümlerinde çekirdekte bulunan ve oluşturan yakıt düzenekleri (FA) adı verilir. hücreler.

Yakıt türüne göre

• uranyum izotopları 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• plütonyum izotop 239 (239 Pu), ayrıca izotoplar 239-242 Pu, 238 U (MOX yakıt) ile karışım halinde
• toryum izotopu 232 (232 Th) (233 U'ya dönüştürülerek)

Zenginleştirme derecesine göre:

• doğal uranyum
• zayıf zenginleştirilmiş uranyum
• yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyum

Kimyasal bileşime göre:

• metal U
• UC (uranyum karbür), vb.

Soğutma sıvısı türüne göre

• Gaz, (bkz. Grafit-gaz reaktörü)
• D 2 O (ağır su, bkz. Ağır su nükleer reaktörü, CANDU)

Moderatör türüne göre

• C (grafit, bkz. Grafit-gaz reaktörü, Grafit-su reaktörü)
• H2O (su, bkz. Hafif su reaktörü, Su soğutmalı reaktör, VVER)
• D 2 O (ağır su, bkz. Ağır su nükleer reaktörü, CANDU)
• Metal hidrürler
• Moderatörsüz (bkz. Hızlı reaktör)

Tasarım gereği

Buhar üretme yöntemiyle

• Harici buhar jeneratörlü reaktör (bkz. Su-su reaktörü, VVER)

UAEK sınıflandırması

• PWR (basınçlı su reaktörleri) - su-su reaktörü (basınçlı su reaktörü);
• BWR (kaynar su reaktörü) - kaynar su reaktörü;
• FBR (hızlı üreme reaktörü) - hızlı üreme reaktörü;
• GCR (gaz soğutmalı reaktör) - gaz soğutmalı reaktör;
• LWGR (hafif su grafit reaktörü) - grafit-su reaktörü
• PHWR (basınçlı ağır su reaktörü) - ağır su reaktörü

Dünyada en yaygın olanı basınçlı su (%62) ve kaynar su (%20) reaktörleridir.

Reaktör malzemeleri

Reaktörlerin inşa edildiği malzemeler, nötronlar, γ kuantum ve fisyon parçalarından oluşan bir alanda yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bu nedenle teknolojinin diğer dallarında kullanılan malzemelerin hepsi reaktör yapımına uygun değildir. Reaktör malzemelerini seçerken radyasyon direnci, kimyasal inertliği, absorpsiyon kesiti ve diğer özellikleri dikkate alınır.

Malzemelerin radyasyon kararsızlığı yüksek sıcaklıklarda daha az etkiye sahiptir. Atomların hareketliliği o kadar artar ki, kristal kafesten çıkan atomların yerlerine geri dönme veya hidrojen ile oksijenin bir su molekülü halinde yeniden birleşme olasılığı önemli ölçüde artar. Bu nedenle, kaynamayan enerji reaktörlerinde (örneğin VVER) suyun radyolizi önemsizdir, güçlü araştırma reaktörlerinde ise önemli miktarda patlayıcı karışım açığa çıkar. Reaktörlerin onu yakmak için özel sistemleri vardır.

Reaktör malzemeleri birbiriyle temas halindedir (soğutucu ve nükleer yakıtlı yakıt kabuğu, soğutucu ve moderatörlü yakıt kasetleri vb.). Doğal olarak temas eden malzemelerin kimyasal olarak inert (uyumlu) olması gerekir. Uyumsuzluğun bir örneği, uranyum ve sıcak suyun kimyasal reaksiyona girmesidir.

Çoğu malzeme için mukavemet özellikleri artan sıcaklıkla keskin bir şekilde bozulur. Güç reaktörlerinde yapısal malzemeler yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bu, özellikle güç reaktörünün dayanması gereken kısımları için inşaat malzemeleri seçimini sınırlar. yüksek basınç.

Tükenmişlik ve nükleer yakıtın yeniden üretimi

Bir nükleer reaktörün çalışması sırasında, yakıtta fisyon parçalarının birikmesi nedeniyle izotopik ve kimyasal bileşimi değişir ve başta izotoplar olmak üzere transuranik elementler oluşur. Fisyon parçalarının nükleer reaktörün reaktivitesi üzerindeki etkisine denir. zehirlenme(radyoaktif parçalar için) ve cüruf(kararlı izotoplar için).

Reaktör zehirlenmesinin ana nedeni, en büyük nötron absorpsiyon kesitine (2,6·10 6 barn) sahip olan reaktördür. 135 Xe'nin yarı ömrü T 1/2 = 9,2 saat; Bölünme sırasındaki verim% 6-7'dir. 135 Xe'nin büyük kısmı bozunmanın bir sonucu olarak oluşur ( T 1/2 = 6,8 saat). Zehirlenme durumunda Keff %1-3 oranında değişir. 135 Xe'nin büyük absorpsiyon kesiti ve ara izotop 135 I'in varlığı iki önemli olguya yol açar:

1. 135 Xe konsantrasyonunda bir artışa ve bunun sonucunda, reaktör durdurulduktan veya güç azaltıldıktan sonra reaktörün reaktivitesinde bir azalmaya ("iyot çukuru"), bu da kısa süreli duruşları ve çıkış gücündeki dalgalanmaları imkansız hale getirir . Bu etki, düzenleyici kurumlara bir reaktivite rezervi getirilerek aşılır. İyot kuyusunun derinliği ve süresi nötron akışına bağlıdır Ф: Ф = 5·10 18 nötron/(cm²·sn)'de iyot kuyusunun süresi ˜ 30 saattir ve derinlik sabit olandan 2 kat daha fazladır 135 Xe zehirlenmesinin neden olduğu Keff'teki değişiklik.
2. Zehirlenme nedeniyle, nötron akısı F'de ve dolayısıyla reaktör gücünde uzay-zamansal dalgalanmalar meydana gelebilir. Bu salınımlar Ф > 10 18 nötron/(cm² sn) değerinde meydana gelir ve büyük boyutlar reaktör. Salınım süreleri ˜ 10 saat.

Nükleer fisyon, bölünebilir izotopun absorpsiyon kesitiyle karşılaştırıldığında absorpsiyon kesitleri farklı olan çok sayıda kararlı parça üretir. Büyük bir absorpsiyon kesitine sahip parçaların konsantrasyonu, reaktörün çalışmasının ilk birkaç günü içinde doygunluğa ulaşır. Bunlar esas olarak farklı “yaşlara” sahip yakıt çubuklarıdır.

Yakıtın tamamen değiştirilmesi durumunda, reaktörde telafi edilmesi gereken fazla reaktiflik bulunurken, ikinci durumda dengeleme yalnızca reaktör ilk çalıştırıldığında gerekli olur. Sürekli aşırı yükleme, reaktörün reaktivitesi bölünebilir izotopların ortalama konsantrasyonları tarafından belirlendiğinden yanma derinliğinin arttırılmasını mümkün kılar.

Yüklenen yakıtın kütlesi, açığa çıkan enerjinin "ağırlığı" nedeniyle boşaltılan yakıtın kütlesini aşıyor. Reaktör kapatıldıktan sonra, öncelikle gecikmiş nötronların neden olduğu fisyon nedeniyle ve daha sonra 1-2 dakika sonra fisyon parçalarının ve uranyum ötesi elementlerin β- ve γ-radyasyonu nedeniyle yakıtta enerji salınımı devam eder. Reaktör durmadan önce yeterince uzun süre çalıştıysa, durdurulduktan 2 dakika sonra enerji salınımı başlangıç ​​gücünün yaklaşık %3'ü, 1 saat sonra %1, bir gün sonra %0,4, bir yıl sonra %0,05 olur.

Bir nükleer reaktörde oluşan bölünebilir Pu izotop sayısının yanmış 235 U miktarına oranına denir. dönüşüm oranı KK. Zenginleşme ve yanma azaldıkça KK'nin değeri artar. Doğal uranyum kullanan, 10 GW gün/t K K = 0,55 yanmalı ve küçük yanmalı (bu durumda K K olarak adlandırılır) bir ağır su reaktörü için başlangıç ​​plütonyum katsayısı) KK = 0,8. Bir nükleer reaktör yanarsa ve aynı izotopları üretirse (üretici reaktör), üreme oranının yanma oranına oranı denir. üreme oranı K V. Termal nötronların kullanıldığı nükleer reaktörlerde 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 büyür ve A düşme.

Nükleer reaktör kontrolü

Bir nükleer reaktörün kontrolü ancak fisyon sırasında bazı nötronların parçalardan birkaç milisaniyeden birkaç dakikaya kadar değişebilen bir gecikmeyle uçması nedeniyle mümkündür.

Reaktörü kontrol etmek için, çekirdeğe yerleştirilen, nötronları (esas olarak ve bazılarını) güçlü bir şekilde emen malzemelerden yapılmış emici çubuklar ve/veya soğutucuya belirli bir konsantrasyonda eklenen bir borik asit çözeltisi (bor kontrolü) kullanılır. . Çubukların hareketi, nötron akısının otomatik kontrolü için operatörden veya ekipmandan gelen sinyallere göre çalışan özel mekanizmalar, sürücüler tarafından kontrol edilir.

Çeşitli acil durumlarda, her reaktöre, tüm emici çubukların çekirdeğe bırakılmasıyla gerçekleştirilen zincirleme reaksiyonun acil sonlandırılması - bir acil durum koruma sistemi - sağlanır.

Artık Isı

Doğrudan nükleer güvenlikle ilgili önemli bir konu bozunma ısısıdır. Bu, nükleer yakıtın belirli bir özelliğidir; bu, fisyon zincir reaksiyonunun sona ermesinden ve herhangi bir enerji kaynağı için olağan termal ataletten sonra, reaktördeki ısı salınımının uzun süre devam etmesinden oluşur; teknik açıdan karmaşık sorunların sayısı.

Artık ısı, reaktörün çalışması sırasında yakıtta biriken fisyon ürünlerinin β ve γ bozunmasının bir sonucudur. Fisyon ürünü çekirdekler, bozunma nedeniyle, önemli miktarda enerjinin açığa çıkmasıyla daha kararlı veya tamamen kararlı bir duruma dönüşür.

Bozunma ısısı salınım hızı, kararlı durum değerlerine kıyasla hızla küçük değerlere düşse de, yüksek güçlü güçlü reaktörlerde mutlak anlamda önemlidir. Bu nedenle artık ısı üretimi, reaktörün kapatılmasından sonra reaktör çekirdeğinden ısının uzaklaştırılmasının sağlanması için uzun bir süreye ihtiyaç duyulmasını gerektirir. Bu görev, reaktör kurulumunun güvenilir bir güç kaynağına sahip soğutma sistemlerini içerecek şekilde tasarlanmasını ve ayrıca kullanılmış nükleer yakıtın özel donanıma sahip depolama tesislerinde uzun vadeli (3-4 yıl) depolanmasını gerektirir. sıcaklık koşulları- genellikle reaktörün yakınında bulunan soğutma havuzları.

Ayrıca bakınız

• Sovyetler Birliği'nde tasarlanan ve inşa edilen nükleer reaktörlerin listesi

Edebiyat

• Levin V. E. Nükleer fizik ve nükleer reaktörler. 4. baskı. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. “Uranyum. Doğal nükleer reaktör." “Kimya ve Yaşam” Sayı 6, 1980, s. 20-24

Notlar

1. "ZEEP - Kanada'nın İlk Nükleer Reaktörü", Kanada Bilim ve Teknoloji Müzesi.
2. Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Nükleer kalkan. - M .: Logolar, 2008. - 438 s. -

Bugün taahhütte bulunacağız kısa yolculuk nükleer fizik dünyasına. Gezimizin teması nükleer reaktör olacaktır. Nasıl çalıştığını, çalışmasının altında yatan fiziksel prensipleri ve bu cihazın nerede kullanıldığını öğreneceksiniz.

Nükleer Enerjinin Doğuşu

Dünyanın ilk nükleer reaktörü 1942'de ABD'de kurulduödüllü liderliğindeki fizikçilerden oluşan deney grubu Nobel Ödülü Enrico Fermi. Aynı zamanda kendi kendine yeten bir uranyum fisyon reaksiyonu gerçekleştirdiler. Atom cinleri serbest bırakıldı.

İlk Sovyet nükleer reaktörü 1946'da fırlatıldı. ve 8 yıl sonra Obninsk şehrinde dünyanın ilk nükleer enerji santrali elektrik üretti. SSCB'nin nükleer enerji endüstrisindeki baş bilimsel çalışma direktörü olağanüstü fizikçi Igor Vasilievich Kurchatov.

O zamandan beri, birkaç nesil nükleer reaktör değişti, ancak tasarımının ana unsurları değişmeden kaldı.

Bir nükleer reaktörün anatomisi

Bu nükleer tesis, birkaç santimetre küpten birçok metreküp'e kadar değişen silindirik kapasiteye sahip, kalın duvarlı çelik bir tanktır.

Bu silindirin içinde kutsalların kutsalı var - reaktör çekirdeği. Nükleer fisyon zincir reaksiyonunun meydana geldiği yer burasıdır.

Bu sürecin nasıl gerçekleştiğine bakalım.

Özellikle ağır elementlerin çekirdekleri Uranyum-235 (U-235), küçük bir enerji şokunun etkisi altında, yaklaşık olarak eşit kütleye sahip 2 parçaya ayrılabilirler. Bu sürecin etken maddesi nötrondur.

Parçalar çoğunlukla baryum ve kripton çekirdekleridir. Her biri pozitif bir yük taşıyor, dolayısıyla Coulomb itme kuvvetleri onları ışık hızının yaklaşık 1/30'u kadar bir hızla farklı yönlere uçmaya zorluyor. Bu parçalar devasa kinetik enerjinin taşıyıcılarıdır.

İçin pratik kullanım Enerjinin serbest bırakılmasının kendi kendine sürdürülebilir olması gerekir. Zincirleme tepki, Söz konusu fisyon özellikle ilginçtir çünkü her fisyon olayına yeni nötronların emisyonu da eşlik etmektedir. Başlangıçtaki nötron başına ortalama 2-3 yeni nötron üretilir. Bölünebilir uranyum çekirdeklerinin sayısı çığ gibi artıyor, muazzam bir enerjinin açığa çıkmasına neden oluyor. Bu süreç kontrol edilmezse nükleer patlama meydana gelecektir. 'da gerçekleşir.

Nötron sayısını düzenlemek Nötronları emen malzemeler sisteme dahil edilir, Enerjinin düzgün bir şekilde salınmasını sağlamak. Nötron emici olarak kadmiyum veya bor kullanılır.

Parçaların muazzam kinetik enerjisi nasıl engellenir ve kullanılır? Soğutma sıvısı bu amaçlar için kullanılır; Hareket eden parçaların yavaşlatıldığı ve aşırı yüksek sıcaklıklara ısıtıldığı özel bir ortam. Böyle bir ortam sıradan veya ağır su olabilir. sıvı metaller(sodyum) ve bazı gazlar. Soğutucunun buhar durumuna geçmesine neden olmamak için, çekirdekte yüksek basınç korunur (160 atm'ye kadar). Bu nedenle reaktör duvarları on santimetrelik özel kalite çelikten yapılmıştır.

Nötronlar nükleer yakıtın ötesine kaçarsa zincirleme reaksiyon kesintiye uğrayabilir. Bu nedenle, bölünebilir malzemenin kritik bir kütlesi vardır; zincirleme reaksiyonun sürdürüleceği minimum kütlesi. Reaktör çekirdeğini çevreleyen bir reflektörün varlığı da dahil olmak üzere çeşitli parametrelere bağlıdır. Nötron sızıntısını önlemeye yarar çevre. Bu yapısal eleman için en yaygın malzeme grafittir.

Reaktörde meydana gelen işlemlere, salınımı eşlik eder. tehlikeli görünüşlü radyasyon – gama radyasyonu. Bu tehlikeyi en aza indirmek için anti-radyasyon korumasıyla donatılmıştır.

Nükleer reaktör nasıl çalışır?

Yakıt çubukları adı verilen nükleer yakıt, reaktörün çekirdeğine yerleştirilir. Ezilebilir malzemeden oluşturulan ve yaklaşık 3,5 m uzunluğunda ve 10 mm çapında ince tüplere yerleştirilen tabletlerdir.

Yüzlerce benzer yakıt düzeneği çekirdeğe yerleştirilir ve bunlar zincirleme reaksiyon sırasında açığa çıkan termal enerji kaynakları haline gelir. Yakıt çubuklarının etrafından akan soğutucu reaktörün ilk devresini oluşturur.

Yüksek parametrelere ısıtıldığında, enerjisini ikincil devre suyuna aktararak buhara dönüştürdüğü bir buhar jeneratörüne pompalanır. Ortaya çıkan buhar, turbojeneratörü döndürür. Bu ünite tarafından üretilen elektrik tüketiciye iletilir. Ve soğutma havuzundan gelen suyla soğutulan egzoz buharı, yoğuşma formunda buhar jeneratörüne geri döner. Döngü tamamlandı.

Nükleer tesisin bu çift devreli çalışması, çekirdekte meydana gelen süreçlere eşlik eden radyasyonun sınırlarının ötesinde nüfuz etmesini ortadan kaldırır.

Böylece, reaktörde bir enerji dönüşümleri zinciri meydana gelir: bölünebilir malzemenin nükleer enerjisi → parçaların kinetik enerjisine → soğutucunun termal enerjisine → türbinin kinetik enerjisine → ve jeneratördeki elektrik enerjisine.

Kaçınılmaz enerji kayıpları Nükleer santrallerin verimliliği nispeten düşüktür, %33-34.

Üretimin yanı sıra elektrik enerjisi Nükleer santrallerde nükleer reaktörler, çeşitli radyoaktif izotoplar üretmek, endüstrinin birçok alanında araştırma yapmak ve endüstriyel reaktörlerin izin verilen parametrelerini incelemek için kullanılır. Araç motorlarına enerji sağlayan taşıma reaktörleri giderek yaygınlaşıyor.

Nükleer reaktör türleri

Tipik olarak nükleer reaktörler U-235 uranyumla çalışır. Ancak doğal malzemedeki içeriği son derece düşüktür, yalnızca %0,7. Doğal uranyumun büyük kısmı U-238 izotopudur. U-235'te yalnızca yavaş nötronlar zincirleme reaksiyona neden olabilir ve U-238 izotopu yalnızca hızlı nötronlar tarafından bölünür. Çekirdeğin bölünmesi sonucunda hem yavaş hem de hızlı nötronlar doğar. Soğutucuda (su) inhibisyon yaşayan hızlı nötronlar yavaşlar. Ancak doğal uranyumdaki U-235 izotopunun miktarı o kadar küçüktür ki, konsantrasyonunu% 3-5'e getirerek zenginleştirmeye başvurmak gerekir. Bu işlem çok pahalıdır ve ekonomik açıdan kârsızdır. Üstelik zaman daralıyor doğal Kaynaklar Bu izotopun yalnızca 100-120 yıl süreceği tahmin ediliyor.

Bu nedenle nükleer endüstride Hızlı nötronlarla çalışan reaktörlere kademeli bir geçiş var.

Temel farkları, soğutucu olarak nötronları yavaşlatmayan sıvı metalleri kullanmaları ve nükleer yakıt olarak U-238'i kullanmalarıdır. Bu izotopun çekirdekleri, U-235 ile aynı şekilde zincirleme reaksiyona maruz kalan Plütonyum-239'a bir nükleer dönüşüm zincirinden geçer. Yani nükleer yakıt yeniden üretilir ve tüketimini aşan miktarlarda.

Uzmanlara göre Uranyum-238 izotopunun rezervleri 3000 yıl boyunca yeterli olmalıdır. Bu süre, insanlığın diğer teknolojileri geliştirebilecek kadar zamana sahip olması için yeterlidir.

Nükleer enerji kullanmanın sorunları

Açık avantajların yanı sıra nükleer güç Nükleer tesislerin işletilmesiyle ilgili sorunların boyutu küçümsenemez.

Birincisi radyoaktif atıkların ve sökülen ekipmanların imhası nükleer enerji. Bu elementler uzun süre devam eden aktif bir arka plan radyasyonuna sahiptir. Bu atıkların bertarafı için özel kurşun kaplar kullanılmaktadır. 600 metreye kadar derinlikteki permafrost alanlarına gömülmeleri gerekiyor. Bu nedenle, imha sorununu çözecek ve gezegenimizin ekolojisinin korunmasına yardımcı olacak radyoaktif atıkları geri dönüştürmenin bir yolunu bulmak için çalışmalar sürekli olarak devam etmektedir.

Daha az ciddi olmayan ikinci sorun ise NGS'nin işletilmesi sırasında güvenliğin sağlanması.Çernobil gibi büyük kazalar birçok kişiyi alıp götürebilir insan hayatı ve geniş alanları kullanım dışı bırakıyor.

Japon nükleer santrali Fukushima-1'deki kaza, yalnızca nükleer tesislerde acil bir durum meydana geldiğinde ortaya çıkan potansiyel tehlikeyi doğruladı.

Ancak nükleer enerjinin olanakları o kadar büyüktür ki ekolojik sorunlar arka planda kaybolur.

Bugün insanlığın giderek artan enerji açlığını gidermenin başka yolu yoktur. Geleceğin nükleer enerjisinin temeli muhtemelen nükleer yakıt üretme işlevine sahip “hızlı” reaktörler olacaktır.

Bu mesaj işinize yaradıysa sizi görmekten mutluluk duyarım

Bu sıradan gri silindir, Rus nükleer endüstrisinin kilit halkasıdır. Elbette çok şık görünmüyor, ancak amacını anlamaya ve bir göz atmaya değer. özellikler Yaratılış ve yapısının sırrının neden devlet tarafından gözbebeği gibi korunduğunu anlamaya başladıkça.

Evet, tanıtmayı unuttum: işte uranyum izotopları VT-3F'yi (n'inci nesil) ayırmak için bir gaz santrifüjü. Çalışma prensibi, süt ayırıcı gibi temeldir; merkezkaç kuvvetinin etkisiyle ağır, hafiften ayrılır. Peki önemi ve benzersizliği nedir?

Öncelikle başka bir soruyu cevaplayalım - genel olarak neden uranyumu ayıralım?

Yerin hemen altında bulunan doğal uranyum iki izotoptan oluşan bir kokteyldir: uranyum-238 Ve uranyum-235(ve %0,0054 U-234).
Uran-238 sadece ağır, gri bir metal. Bunu başarabilirsin Topçu mermisi veya… bir anahtarlık. İşte yapabilecekleriniz uranyum-235? Öncelikle atom bombası ve ikincisi nükleer santraller için yakıt. Ve işte burada anahtar soruya geliyoruz: Neredeyse aynı olan bu iki atomu birbirinden nasıl ayıracağız? Hayır, gerçekten NASIL?!

Bu arada: Bir uranyum atomunun çekirdeğinin yarıçapı 1,5 × 10 -8 cm'dir.

Uranyum atomlarının teknolojik zincire sürülmesi için onun (uranyum) dönüştürülmesi gerekir. gaz hali. Kaynatmanın bir anlamı yok, uranyumu flor ile birleştirip uranyum heksaflorür elde etmek yeterli HFC. Üretim teknolojisi çok karmaşık ve pahalı değildir ve bu nedenle HFC bu uranyumun çıkarıldığı yerde anlıyorlar. UF6 son derece uçucu tek uranyum bileşiğidir (53°C'ye ısıtıldığında heksaflorür (resimde) doğrudan katı halden gaz durumuna dönüşür). Daha sonra özel kaplara pompalanarak zenginleştirmeye gönderilir.

Biraz tarih

Başlangıçta nükleer yarış Hem SSCB'nin hem de ABD'nin en büyük bilimsel beyinleri, uranyumun bir elekten geçirilmesi - difüzyon ayrımı fikrinde ustalaştı. Küçük 235. izotop içeri girecek ve "yağ" 238. sıkışıp kalacak. Üstelik 1946'da Sovyet endüstrisi için nano delikli bir elek yapmak en zor iş değildi.

Konsey bünyesindeki Bilimsel ve Teknik Konsey'de Isaac Konstantinovich Kikoin'in raporundan Halk Komiserleri(SSCB atom projesine ilişkin gizliliği kaldırılmış materyallerin bir koleksiyonunda verilmiştir (Ed. Ryabev)): Şu anda yaklaşık 5/1.000 mm'lik deliklere sahip ağlar yapmayı öğrendik; Atmosfer basıncında moleküllerin serbest yolundan 50 kat daha fazla. Dolayısıyla bu tür ızgaralar üzerinde izotopların ayrılmasının gerçekleşeceği gaz basıncının atmosfer basıncının 1/50'sinden az olması gerekir. Pratikte yaklaşık 0,01 atmosferlik bir basınçta çalıştığımızı varsayıyoruz; iyi vakum koşulları altında. Hesaplamalar, hafif izotopla %90 konsantrasyona kadar zenginleştirilmiş bir ürün elde etmek için (bu konsantrasyon bir patlayıcı üretmek için yeterlidir), bu tür yaklaşık 2.000 aşamanın bir kademede birleştirilmesi gerektiğini göstermektedir. Tasarımını ve kısmen imalatını yaptığımız makinenin günde 75-100 gr uranyum-235 üretmesi bekleniyor. Kurulum yaklaşık 80-100 “sütun”dan oluşacak ve bunların her birinde 20-25 aşama kurulacak.”

Aşağıda bir belge var - Beria'nın ilk atom bombası patlamasının hazırlanmasına ilişkin Stalin'e raporu. Aşağıda 1949 yazının başlarında üretilen nükleer maddelere ilişkin kısa bilgiler yer almaktadır.

Ve şimdi kendiniz hayal edin - sadece 100 gram uğruna 2000 ağır kurulum! Peki bununla ne yapacağız, bombalara ihtiyacımız var. Ve fabrikalar kurmaya başladılar, sadece fabrikalar değil, tüm şehirler. Ve tamam, sadece şehirlerde, bu difüzyon tesisleri o kadar çok elektriğe ihtiyaç duyuyordu ki, yakınlarda ayrı enerji santralleri inşa etmek zorunda kalıyorlardı.

SSCB'de, 813 No'lu tesisin ilk D-1 aşaması, güç bakımından aynı 3100 ayırma aşamasının 2 kademesinde günde toplam 140 gram% 92-93 uranyum-235 çıkışı için tasarlandı. Sverdlovsk'a 60 km uzaklıktaki Verkh-Neyvinsk köyünde tamamlanmamış bir uçak fabrikası üretime tahsis edildi. Daha sonra Sverdlovsk-44'e dönüştü ve 813 numaralı tesis (resimde) dünyanın en büyük ayırma tesisi olan Ural Elektrokimya Tesisi'ne dönüştü.

Her ne kadar difüzyon ayırma teknolojisi büyük teknolojik zorluklarla da olsa hata ayıklanmış olsa da, daha ekonomik bir santrifüj prosesi geliştirme fikri gündemden düşmedi. Sonuçta, eğer bir santrifüj oluşturmayı başarırsak, enerji tüketimi 20'den 50 kata düşecek!

Santrifüj nasıl çalışır?

Yapısı basit olmaktan çok daha fazlasıdır ve "sıkma/kurutma" modunda çalışan eski bir çamaşır makinesine benzemektedir. Dönen rotor, kapalı bir mahfazanın içinde bulunur. Bu rotora gaz verilir (UF6). Dünya'nın çekim alanından yüzbinlerce kat daha büyük olan merkezkaç kuvveti nedeniyle gaz, "ağır" ve "hafif" fraksiyonlara ayrılmaya başlar. Hafif ve ağır moleküller gruplanmaya başlar farklı bölgeler rotor, ancak merkezde ve çevrede değil, üstte ve altta.

Bu, konveksiyon akımları nedeniyle oluşur - rotor kapağı ısıtılır ve ters gaz akışı meydana gelir. Silindirin üstüne ve altına monte edilmiş iki küçük giriş borusu vardır. Zayıf bir karışım alt tüpe girer ve daha yüksek atom konsantrasyonuna sahip bir karışım üst tüpe girer. 235U. Bu karışım bir sonraki santrifüje alınır ve konsantrasyon yoğunlaşana kadar bu şekilde devam eder. 235. uranyuma ulaşmayacak istenen değer. Bir santrifüj zincirine kaskad denir.

Teknik özellikler.

Öncelikle, dönüş hızı - modern nesil santrifüjlerde 2000 rpm'ye ulaşır (bunu neyle karşılaştıracağımı bile bilmiyorum... bir uçak motorundaki türbinden 10 kat daha hızlı)! Ve ÜÇ YILDIR aralıksız çalışıyor! Onlar. Şimdi Brejnev'in altında çalıştırılan santrifüjler kademeli olarak dönüyor! SSCB artık yok ama dönmeye devam ediyorlar. Rotorun çalışma döngüsü boyunca 2.000.000.000.000 (iki trilyon) devir yaptığını hesaplamak zor değildir. Peki buna hangi dayanak dayanabilir? Evet, hiçbiri! Orada hiçbir rulman yok.

Rotorun kendisi sıradan bir üst kısımdır, alt kısmında korindon yatağına dayanan güçlü bir iğne bulunur ve üst uç vakumda asılı kalır ve tutulur. elektromanyetik alan. İğne de basit değil, piyano telleri için sıradan telden yapılmış, çok sertleştirilmiş kurnaz bir şekilde(ki bu GT'dir). Böylesine çılgın bir dönüş hızıyla, santrifüjün kendisinin sadece dayanıklı değil, aynı zamanda son derece dayanıklı olması gerektiğini hayal etmek zor değil.

Akademisyen Joseph Friedlander şunları hatırlıyor: “Beni üç kez vurabilirlerdi. Bir keresinde Lenin Ödülü'nü aldığımızda büyük bir kaza oldu ve santrifüjün kapağı uçtu. Parçalar dağıldı ve diğer santrifüjleri yok etti. Radyoaktif bir bulut yükseldi. Bir kilometrelik kurulumun tamamını durdurmak zorunda kaldık! Sredmash'ta General Zverev santrifüjlere komuta ediyordu; atom projesinden önce Beria'nın bölümünde çalışıyordu. Toplantıya katılan general şunları söyledi: “Durum kritik. Ülkenin savunması tehlikede. Eğer durumu hemen düzeltmezsek, '37 sizin için tekrarlanacak." Ve toplantıyı hemen kapattık. Sonra tamamen ortaya çıktık yeni teknoloji tamamen izotropik, düzgün bir kapak yapısına sahipti ancak çok karmaşık kurulumlar gerekiyordu. O zamandan beri bu tür kapaklar üretildi. Artık sorun kalmadı. Rusya'da 3 zenginleştirme tesisi ve yüzbinlerce santrifüj var."
Fotoğrafta: ilk nesil santrifüjlerin testleri

Rotor muhafazaları da başlangıçta metalden yapılmıştı, ta ki yerini karbon fiberle değiştirene kadar. Hafif ve oldukça dayanıklı olduğundan dönen bir silindir için ideal bir malzemedir.

UEIP Genel Müdürü (2009-2012) Alexander Kurkin şunları hatırlıyor: "Gülünç olmaya başladı. Yeni, daha "becerikli" nesil santrifüjleri test ederken ve kontrol ederken, çalışanlardan biri rotorun tamamen durmasını beklemedi, onu kademeden ayırdı ve elle standa taşımaya karar verdi. Ancak ne kadar dirense de ileri gitmek yerine bu silindiri kucakladı ve geriye doğru hareket etmeye başladı. Böylece dünyanın döndüğünü ve jiroskopun büyük bir kuvvet olduğunu kendi gözlerimizle gördük.”

Kim icat etti?

Ah, bu bir gizem, gizemle sarılmış ve belirsizlikle örtülü. Burada yakalanan Alman fizikçileri, CIA'yı, SMERSH memurlarını ve hatta düşürülen casus pilot Powers'ı bulacaksınız. Genel olarak gaz santrifüjünün çalışma prensibi 19. yüzyılın sonunda anlatılmıştır.

Atom Projesinin başlangıcında bile, Kirov Fabrikası Özel Tasarım Bürosunda mühendis olan Viktor Sergeev bir santrifüj ayırma yöntemi önerdi, ancak ilk başta meslektaşları bu fikri onaylamadı. Buna paralel olarak, mağlup Almanya'dan gelen bilim adamları, Sohum'daki özel bir araştırma enstitüsünde bir ayırma santrifüjü oluşturmak için çabaladılar-5: Hitler döneminde önde gelen Siemens mühendisi olarak çalışan Dr. Max Steenbeck ve Viyana Üniversitesi mezunu eski Luftwaffe tamircisi, Gernot Zippe. Toplamda grupta yaklaşık 300 “ihraç edilen” fizikçi vardı.

Hatırlıyor CEO CJSC Centrotech-SPb Devlet Şirketi Rosatom Alexey Kaliteevsky: "Uzmanlarımız Alman santrifüjünün endüstriyel üretime kesinlikle uygun olmadığı sonucuna vardı. Steenbeck'in aparatında kısmen zenginleştirilmiş ürünü bir sonraki aşamaya aktaracak bir sistem yoktu. Kapağın uçlarının soğutulması ve gazın dondurulması, ardından buzunun çözülmesi, toplanması ve bir sonraki santrifüje konulması önerildi. Yani plan çalışmıyor. Ancak projenin çok ilginç ve sıra dışı birçok özelliği vardı. teknik çözümler. Bu "ilginç ve sıradışı çözümler", Sovyet bilim adamlarının elde ettiği sonuçlarla, özellikle Viktor Sergeev'in önerileriyle birleştirildi. Nispeten konuşursak, kompakt santrifüjümüzün üçte biri Alman düşüncesinin, üçte ikisi ise Sovyet düşüncesinin meyvesidir.” Bu arada, Sergeev Abhazya'ya gelip uranyum seçimi hakkındaki düşüncelerini aynı Steenbeck ve Zippe'ye ifade ettiğinde, Steenbeck ve Zippe bunları gerçekleştirilemez olarak nitelendirdi.

Peki Sergeyev ne buldu?

Ve Sergeev'in teklifi pitot tüpleri şeklinde gaz seçiciler yaratmaktı. Ancak bu konuda dişlerini yemiş olduğuna inandığı Dr. Steenbeck kategorikti: "Akışı yavaşlatacaklar, türbülansa neden olacaklar ve hiçbir ayrılık olmayacak!" Yıllar sonra anıları üzerinde çalışırken pişman olacaktı: “Bizden gelmeye değer bir fikir! Ama hiç aklıma gelmedi..."

Daha sonra SSCB dışına çıkan Steenbeck artık santrifüjlerle çalışmadı. Ancak Almanya'ya gitmeden önce Geront Zippe, Sergeev'in santrifüjünün prototipini ve ustaca basit çalışma prensibini tanıma fırsatı buldu. Batı'ya vardığında, sık sık adlandırıldığı şekliyle "kurnaz Zippe", santrifüj tasarımının patentini kendi adı altında aldı (1957 patent No. 1071597, 13 ülkede ilan edildi). 1957'de ABD'ye taşınan Zippe, orada Sergeev'in prototipini hafızadan yeniden üreten çalışan bir kurulum kurdu. Ve o buna "Rus santrifüjü" adını verdi (resimde).

Bu arada, Rus mühendisliği başka birçok durumda da kendini gösterdi. Bir örnek, basit bir acil durum kapatma vanasıdır. Sensörler, dedektörler veya elektronik devreler yoktur. Sadece taç yaprağı ile basamaklı çerçeveye temas eden bir semaver musluğu bulunmaktadır. Bir şeyler ters giderse ve santrifüj uzaydaki konumunu değiştirirse, basitçe döner ve giriş hattını kapatır. Uzayda bir Amerikan kalemi ve bir Rus kalemi hakkındaki şakaya benziyor.

Günlerimiz

Bu hafta bu satırların yazarı katıldı önemli olay– Sözleşme kapsamında ABD Enerji Bakanlığı gözlemcilerinin Rusya ofisinin kapatılması HEU-LEU. Bu anlaşma (yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyum - düşük zenginleştirilmiş uranyum), Rusya ile Amerika arasında nükleer enerji alanında yapılan en büyük anlaşmaydı ve öyle olmaya da devam ediyor. Sözleşme şartlarına göre Rus nükleer bilim adamları, silah kalitesinde (%90) 500 ton uranyumu Amerikan nükleer santralleri için yakıt (%4) HFC'lere dönüştürdü. 1993-2009 gelirleri 8,8 milyar ABD doları olarak gerçekleşti. Bu, nükleer bilim adamlarımızın savaş sonrası yıllarda izotop ayırma alanında yaptığı teknolojik atılımın mantıksal sonucuydu.
Fotoğrafta: UEIP atölyelerinden birinde gaz santrifüjlerinin basamakları. Burada yaklaşık 100.000 tane var.

Santrifüjler sayesinde binlerce ton nispeten ucuz hem askeri hem de ticari ürün elde ettik. Geriye kalan az sayıdaki endüstriden biri olan nükleer endüstri ( askeri havacılık, uzay), Rusya'nın tartışmasız önceliğe sahip olduğu yer. On yıl önceden (2013'ten 2022'ye kadar) yalnızca yabancı siparişler, sözleşme hariç Rosatom'un portföyü HEU-LEU 69,3 milyar dolar. 2011'de 50 milyarı aştı...
Fotoğrafta UEIP'de HFC içeren konteynerlerin bulunduğu bir depo gösterilmektedir.

28 Eylül 1942'de Devlet Savunma Komitesi'nin 2352ss sayılı “Uranyumla ilgili çalışmaların organizasyonu hakkında” Kararı kabul edildi. Bu tarih, Rus nükleer endüstrisi tarihinin resmi başlangıcı olarak kabul ediliyor.

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibini ve tasarımını anlamak için geçmişe kısa bir yolculuk yapmanız gerekir. Nükleer reaktör, tam olarak gerçekleşmemiş olsa da, insanlığın tükenmez bir enerji kaynağına dair asırlık bir hayalidir. Onun eski "atası", bir zamanlar uzak atalarımızın soğuktan kurtuluş bulduğu mağaranın tonozlarını aydınlatan ve ısıtan kuru dallardan oluşan bir ateştir. Daha sonra insanlar hidrokarbonlar (kömür, şist, petrol ve doğal gaz) konusunda uzmanlaştı.

Çalkantılı ama kısa ömürlü bir buhar dönemi başladı ve yerini daha da fantastik bir elektrik çağı aldı. Şehirler ışıkla doluydu ve atölyeler, elektrik motorlarıyla çalıştırılan, şimdiye kadar görülmemiş makinelerin uğultusuyla doluydu. Sonra ilerleme doruğa ulaşmış gibi görünüyordu.

Her şey değişti XIX sonu yüzyılda Fransız kimyager Antoine Henri Becquerel uranyum tuzlarının radyoaktif olduğunu tesadüfen keşfetti. 2 yıl sonra yurttaşları Pierre Curie ve eşi Maria Sklodowska-Curie onlardan radyum ve polonyum elde ettiler ve radyoaktivite düzeyleri toryum ve uranyumdan milyonlarca kat daha yüksekti.

Cop, radyoaktif ışınların doğasını ayrıntılı olarak inceleyen Ernest Rutherford tarafından alındı. Böylece dünyaya sevgili çocuğunu getiren atomun çağı başladı. atom reaktörü.

İlk nükleer reaktör

“İlk doğan” ABD'den geliyor. Aralık 1942'de, yaratıcısının adını alan reaktör tarafından ilk akım üretildi. en büyük fizikçiler yüzyıl E. Fermi. Üç yıl sonra ZEEP nükleer tesisi Kanada'da hayata geçti. “Bronz”, 1946'nın sonunda başlatılan ilk Sovyet F-1 reaktörüne verildi. I.V. Kurchatov yerli nükleer projenin başına geçti. Bugün dünyada 400'den fazla nükleer güç ünitesi başarıyla faaliyet göstermektedir.

Nükleer reaktör türleri

Ana amaçları elektrik üreten kontrollü bir nükleer reaksiyonu desteklemektir. Bazı reaktörler izotoplar üretir. Kısaca, derinliklerinde bazı maddelerin salınımıyla diğerlerine dönüştüğü cihazlardır. büyük miktar Termal enerji. Bu, geleneksel yakıtlar yerine uranyum izotoplarının - U-235, U-238 ve plütonyumun (Pu) yakıldığı bir tür "fırın" dır.

Örneğin, çeşitli benzin türleri için tasarlanmış bir arabanın aksine, her radyoaktif yakıt türünün kendi reaktör türü vardır. Bunlardan iki tane var - yavaş (U-235 ile) ve hızlı (U-238 ve Pu ile) nötronlar. Çoğu nükleer santralde yavaş nötron reaktörleri bulunur. Nükleer santrallere ek olarak, tesisler de “çalışıyor” Araştırma merkezleri, nükleer denizaltılarda ve.

Reaktör nasıl çalışır?

Tüm reaktörler yaklaşık olarak aynı devreye sahiptir. Onun “kalbi” aktif bölgedir. Kabaca geleneksel bir sobanın ocak kutusuyla karşılaştırılabilir. Sadece yakacak odun yerine, moderatörlü yakıt çubukları olan yakıt elemanları şeklinde nükleer yakıt vardır. Aktif bölge, bir tür kapsülün (nötron reflektörü) içinde bulunur. Yakıt çubukları soğutucu su ile “yıkanır”. Çünkü “kalpte” çok şey var yüksek seviye radyoaktivite, güvenilir radyasyon koruması ile çevrilidir.

Operatörler tesisin çalışmasını iki kritik sistem (zincir reaksiyon kontrolü ve uzaktan kumanda sistemi) kullanarak kontrol eder. Varsa acil bir durum, acil durum koruması anında etkinleştirilir.

Bir reaktör nasıl çalışır?

Süreçler nükleer fisyon seviyesinde meydana geldiğinden atomik “alev” görünmez. Bir zincirleme reaksiyon sırasında, ağır çekirdekler daha küçük parçalara ayrışır ve bunlar uyarılmış durumdayken nötronların ve diğer atom altı parçacıkların kaynağı haline gelir. Ancak süreç bununla bitmiyor. Nötronlar, büyük miktarda enerjinin açığa çıkmasının bir sonucu olarak "bölünmeye" devam ediyor, yani nükleer santrallerin inşa edilmesi uğruna ne oluyor.

Personelin asıl görevi kontrol çubukları yardımıyla zincirleme reaksiyonu sabit, ayarlanabilir bir seviyede tutmaktır. Bu onun temel farkı atom bombası Nükleer bozunma sürecinin kontrol edilemediği ve güçlü bir patlama şeklinde hızla ilerlediği yer.

Çernobil nükleer santralinde ne oldu

Felaketin en önemli nedenlerinden biri Çernobil nükleer santrali Nisan 1986'da - 4. güç ünitesinin rutin bakımı sırasında operasyonel güvenlik kurallarının ağır ihlali. Daha sonra, yönetmeliklerin izin verdiği 15 adet yerine 203 adet grafit çubuk aynı anda çekirdekten çıkarıldı. Sonuç olarak başlayan kontrol edilemeyen zincirleme reaksiyon, termal patlama ve güç ünitesinin tamamen tahrip olmasıyla sonuçlandı.

Yeni nesil reaktörler

Geçtiğimiz on yılda Rusya küresel nükleer enerjide liderlerden biri haline geldi. Açık şu an Devlet şirketi Rosatom, 12 ülkede 34 güç ünitesinin inşa edildiği nükleer enerji santralleri inşa ediyor. Bu kadar yüksek bir talep, modern Rus nükleer teknolojisinin yüksek seviyesinin kanıtıdır. Sırada yeni 4. nesil reaktörler var.

"Brest"

Bunlardan biri, Atılım projesinin bir parçası olarak geliştirilmekte olan Brest'tir. Mevcut açık çevrim sistemleri düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyumla çalışıyor ve büyük miktarlarda kullanılmış yakıtın büyük masraflarla imha edilmesine neden oluyor. "Brest" - hızlı bir nötron reaktörü, kapalı döngüsünde benzersizdir.

İçinde kullanılmış yakıt, hızlı bir nötron reaktöründe uygun şekilde işlendikten sonra tekrar aynı tesise geri yüklenebilen tam teşekküllü yakıt haline gelir.

Brest, yüksek düzeyde güvenlikle ayırt edilir. En ciddi kazada dahi asla “patlamaz”, “yenilenmiş” uranyumunu yeniden kullandığı için oldukça ekonomik ve çevre dostudur. Aynı zamanda silah kalitesinde plütonyum üretmek için de kullanılamıyor, bu da ihracatı için geniş fırsatlar sunuyor.

VVER-1200

VVER-1200, 1150 MW kapasiteli yenilikçi nesil 3+ reaktördür. Eşsiz teknik yetenekleri sayesinde neredeyse mutlak operasyonel güvenliğe sahiptir. Reaktör, güç kaynağı olmadığında bile otomatik olarak çalışacak pasif güvenlik sistemleriyle bol miktarda donatılmıştır.

Bunlardan biri, reaktörün enerjisi tamamen kesildiğinde otomatik olarak devreye giren pasif ısı giderme sistemidir. Bu durumda acil durum hidrolik tankları sağlanır. Birincil devrede anormal bir basınç düşüşü varsa, reaktöre nükleer reaksiyonu söndüren ve nötronları emen büyük miktarda bor içeren su sağlanmaya başlar.

Başka bir teknik bilgi, koruyucu kabuğun alt kısmında - eriyik "tuzağı"nda bulunur. Bir kaza sonucu çekirdek "sızarsa", "tuzak" muhafaza kabuğunun çökmesine izin vermeyecek ve radyoaktif ürünlerin yere girmesini önleyecektir.