גילוי הנייטרון היה מבשר לעידן האטומי של האנושות, שכן בידי הפיזיקאים היה חלקיק המסוגל, בשל היעדר מטען, לחדור לכל גרעינים, אפילו כבדים. במהלך ניסויים על הפצצת גרעיני אורניום בניוטרונים, שבוצעו על ידי הפיזיקאי האיטלקי E. Fermi, התקבלו איזוטופים רדיואקטיביים ויסודות טרנס-אוראניים - נפטון ופלוטוניום. כך התאפשר ליצור כור גרעיני - מתקן העולה בעוצמתו האנרגטית על כל מה שנוצר קודם לכן על ידי האנושות.

כור גרעיני הוא מכשיר שבו מתרחשת תגובת דעיכה גרעינית מבוקרת, המבוססת על עקרון השרשרת. עיקרון זה הוא כדלקמן. גרעיני אורניום המופגז על ידי נויטרונים מתכלים ומייצרים מספר נויטרונים חדשים, אשר בתורם גורמים לביקוע של הגרעינים הבאים. בתהליך זה, מספר הנייטרונים גדל במהירות. היחס בין מספר הנייטרונים בשלב ביקוע אחד למספר הנייטרונים בשלב הקודם של ההתפרקות הגרעינית נקרא גורם הכפל.

כדי שתהיה בקרה של תגובה גרעינית יש צורך בכור גרעיני, המשמש בתחנות כוח גרעיניות, צוללות, מתקנים גרעיניים ניסיוניים וכו'. תגובה גרעינית בלתי מבוקרת מובילה בהכרח להתפוצצות של כוח הרס עצום. סוג זה של תגובת שרשרת משמש אך ורק לפיצוצים והוא מטרת הפירוק הגרעיני.

כור גרעיני, שבו נעים הנייטרונים המשתחררים במהירות עצומה, מצויד בחומרים מיוחדים שסופגים חלק מהאנרגיה של חלקיקים יסודיים על מנת לשלוט בתגובה. חומרים כאלה, בעלי יכולת להפחית את המהירות והאינרציה של תנועת הנייטרונים, נקראים מתרי תגובה גרעינית.

מורכב מהדברים הבאים. החללים הפנימיים של הכור מלאים במים מזוקקים המסתובבים בתוך צינורות מיוחדים. הכור הגרעיני מופעל אוטומטית כאשר מוטות גרפיט, הסופגים חלק מאנרגיית הנייטרונים, מוסרים מהליבה. עם תחילת תגובת השרשרת, משתחררת כמות עצומה של אנרגיה תרמית, אשר מסתובבת בליבת הכור, מגיעה במקביל, המים מחוממים לטמפרטורה של 320 מעלות צלזיוס.

ואז המים של המעגל הראשוני, הנעים פנימה דרך הצינורות של מחולל הקיטור, מעבירים את האנרגיה התרמית המתקבלת מליבת הכור למים של המעגל המשני, מבלי לבוא איתם במגע, מה שמונע מחלקיקים רדיואקטיביים לצאת החוצה. אולם הכור.

התהליך הנוסף אינו שונה ממה שקורה בכל תחנת כוח תרמית - המים במעגל המשני, שהופכים לקיטור, נותנים סיבוב לטורבינות. והטורבינות מפעילות גנרטורים חשמליים ענקיים, שמייצרים אנרגיה חשמלית.

הכור הגרעיני אינו המצאה אנושית גרידא. מכיוון שאותם חוקי הפיזיקה חלים בכל היקום, האנרגיה של ריקבון גרעיני נחוצה כדי לשמור על המבנה ההרמוני של הקוסמוס והחיים על פני כדור הארץ. כור גרעיני טבעי מיוצג על ידי כוכבים. ואחד מהם הוא השמש, אשר באנרגיה שלה יצרה את כל התנאים להופעתם של חיים על הפלנטה שלנו.

המכשיר ועקרון הפעולה מבוססים על אתחול ובקרה של תגובה גרעינית המקיימת את עצמה. הוא משמש ככלי מחקר, לייצור איזוטופים רדיואקטיביים וכמקור אנרגיה לתחנות כוח גרעיניות.

עקרון הפעולה (בקצרה)

זה משתמש בתהליך שבו גרעין כבד מתפרק לשני שברים קטנים יותר. שברים אלה נמצאים במצב נרגש מאוד ופולטים נויטרונים, חלקיקים תת-אטומיים אחרים ופוטונים. ניוטרונים יכולים לגרום לבקעים חדשים, וכתוצאה מכך יותר מהם ייפלטו, וכן הלאה. סדרה מתמשכת כזו של פיצולים מכונה תגובת שרשרת. זה משחרר כמות גדולה של אנרגיה, שהפקתה היא מטרת השימוש בתחנות כוח גרעיניות.

עקרון הפעולה של כור גרעיני הוא כזה שכ-85% מאנרגיית הביקוע משתחררת תוך פרק זמן קצר מאוד לאחר תחילת התגובה. השאר מיוצר על ידי ריקבון רדיואקטיבי של תוצרי ביקוע לאחר שהם פולטו נויטרונים. ריקבון רדיואקטיבי הוא תהליך שבו אטום מגיע למצב יציב יותר. זה ממשיך לאחר השלמת החלוקה.

בפצצת אטום, תגובת השרשרת גוברת בעוצמתה עד שרוב החומר מבוקע. זה קורה מהר מאוד, ומייצר את הפיצוצים החזקים ביותר האופייניים לפצצות כאלה. עיקרון התכנון והתפעול של כור גרעיני מבוססים על שמירה על תגובת שרשרת ברמה מבוקרת, כמעט קבועה. הוא מעוצב בצורה כזו שהוא לא יכול להתפוצץ כמו פצצת אטום.

תגובת שרשרת וביקורתיות

הפיזיקה של כור ביקוע גרעיני היא שתגובת השרשרת נקבעת על פי ההסתברות של פיצול הגרעין לאחר פליטת נויטרונים. אם אוכלוסייתם של האחרונים תקטן, אזי קצב החלוקה יירד בסופו של דבר לאפס. במקרה זה, הכור יהיה במצב תת קריטי. אם אוכלוסיית הנייטרונים נשמרת ברמה קבועה, אז קצב הביקוע יישאר יציב. הכור יהיה במצב קריטי. לבסוף, אם אוכלוסיית הנייטרונים תגדל עם הזמן, קצב הביקוע והכוח יגדלו. מצב הליבה יהפוך לסופר-קריטי.

עקרון הפעולה של כור גרעיני הוא כדלקמן. לפני השקתו, אוכלוסיית הנייטרונים קרובה לאפס. לאחר מכן, המפעילים מסירים מוטות בקרה מהליבה, ומגבירים את הביקוע הגרעיני, שדוחף את הכור באופן זמני למצב סופר קריטי. לאחר שהגיעו להספק מדורג, המפעילים מחזירים חלקית את מוטות הבקרה, ומכוונים את מספר הנייטרונים. לאחר מכן, הכור נשמר במצב קריטי. כשצריך לעצור אותו, מפעילים מכניסים את המוטות עד הסוף. זה מדכא את הביקוע ומעביר את הליבה למצב תת-קריטי.

סוגי כורים

רוב תחנות הכוח הגרעיניות בעולם הן תחנות כוח, המייצרות את החום הדרוש לסחרור טורבינות המניעות גנרטורים חשמליים. ישנם גם כורי מחקר רבים, ולחלק מהמדינות יש צוללות או ספינות שטח המונעות על ידי אנרגיה אטומית.

מתקני אנרגיה

ישנם מספר סוגים של כורים מסוג זה, אך תכנון המים הקל נמצא בשימוש נרחב. בתורו, הוא יכול להשתמש במים בלחץ או במים רותחים. במקרה הראשון, הנוזל בלחץ גבוה מחומם על ידי חום הליבה ונכנס אל מחולל הקיטור. שם מועבר חום מהמעגל הראשוני למעגל המשני, המכיל גם מים. הקיטור שנוצר בסופו של דבר משמש כנוזל העבודה במחזור טורבינת הקיטור.

כור המים הרותחים פועל על העיקרון של מחזור אנרגיה ישיר. מים העוברים דרך הליבה מביאים לרתיחה בלחץ בינוני. הקיטור הרווי עובר דרך סדרה של מפרידים ומייבשים הנמצאים בכלי הכור, מה שגורם לו להתחמם. לאחר מכן, אדי המים המחוממים משמשים כנוזל העבודה כדי להפוך את הטורבינה.

גז בטמפרטורה גבוהה מקורר

כור מקורר גז בטמפרטורה גבוהה (HTGR) הוא כור גרעיני שעיקרון פעולתו מבוסס על שימוש בתערובת של גרפיט ומיקרוספירות דלק כדלק. ישנם שני עיצובים מתחרים:

• מערכת "מילוי" גרמנית המשתמשת באלמנטי דלק כדוריים בקוטר 60 מ"מ, שהם תערובת של גרפיט ודלק במעטפת גרפיט;
• הגרסה האמריקאית בצורת מנסרות משושות גרפיט המשתלבות זו בזו ליצירת ליבה.

בשני המקרים, נוזל הקירור מורכב מהליום בלחץ של כ-100 אטמוספרות. במערכת הגרמנית הליום עובר דרך רווחים בשכבת יסודות הדלק הכדוריים, ובמערכת האמריקאית הליום עובר דרך חורים במנסרות גרפיט הממוקמות לאורך ציר האזור המרכזי של הכור. שתי האפשרויות יכולות לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד, מכיוון שלגרפיט יש טמפרטורת סובלימציה גבוהה במיוחד והליום אינרטי לחלוטין מבחינה כימית. ניתן ליישם הליום חם ישירות כנוזל עבודה בטורבינת גז בטמפרטורה גבוהה, או להשתמש בחום שלו ליצירת קיטור ממחזור המים.

מתכת נוזלית ועקרון עבודה

כורים מהירים מקוררי נתרן זכו לתשומת לב רבה בשנות ה-60 וה-70. נראה היה אז כי בקרוב יהיה צורך ביכולות הגידול שלהם כדי לייצר דלק לתעשייה הגרעינית המתרחבת במהירות. כשהתברר בשנות ה-80 שהציפייה הזו לא מציאותית, ההתלהבות דעכה. עם זאת, מספר כורים מסוג זה נבנו בארה"ב, רוסיה, צרפת, בריטניה, יפן וגרמניה. רובם פועלים על אורניום דו חמצני או תערובת שלו עם פלוטוניום דו חמצני. בארצות הברית, לעומת זאת, הושגה ההצלחה הגדולה ביותר עם דלקים מתכתיים.

CANDU

קנדה ממקדת את מאמציה בכורים המשתמשים באורניום טבעי. זה מבטל את הצורך להיעזר בשירותים של מדינות אחרות כדי להעשיר אותו. התוצאה של מדיניות זו הייתה כור דאוטריום-אורניום (CANDU). הוא נשלט ומקורר במים כבדים. עיקרון התכנון והתפעול של כור גרעיני מורכב משימוש במאגר של D 2 O קר בלחץ אטמוספרי. אל הליבה חודרים צינורות העשויים מסגסוגת זירקוניום עם דלק העשוי מאורניום טבעי, דרכם מסתובבים מים כבדים המקררים אותה. חשמל מופק על ידי העברת חום ביקוע במים כבדים לנוזל קירור שמסתובב דרך מחולל קיטור. הקיטור במעגל המשני עובר לאחר מכן דרך מחזור טורבינה קונבנציונלי.

מתקני מחקר

למחקר מדעי, לרוב נעשה שימוש בכור גרעיני, שעיקרון הפעולה שלו הוא שימוש בקירור מים ובאלמנטים של אורניום בצורת לוחות בצורת מכלולים. מסוגל לפעול בטווח רחב של רמות הספק, ממספר קילוואט ועד מאות מגה וואט. מכיוון שייצור חשמל אינו המטרה העיקרית של כורי מחקר, הם מאופיינים באנרגיה התרמית המופקת, בצפיפות ובאנרגיה הנומינלית של נויטרונים הליבה. הפרמטרים הללו הם שעוזרים לכמת את היכולת של כור מחקר לבצע מחקר ספציפי. מערכות בעלות הספק נמוך נמצאות בדרך כלל באוניברסיטאות ומשמשות להוראה, בעוד שמערכות בעלות הספק גבוה נחוצות במעבדות מחקר לצורך בדיקות חומרים וביצועים ומחקר כללי.

הנפוץ ביותר הוא כור גרעיני מחקר, שמבנהו ועקרון הפעולה שלו הוא כדלקמן. הליבה שלו ממוקמת בתחתית בריכת מים גדולה ועמוקה. זה מפשט את התצפית והמיקום של תעלות שדרכן ניתן לכוון קרני נויטרונים. ברמות הספק נמוכות אין צורך לשאוב נוזל קירור שכן הסעה טבעית של נוזל הקירור מספקת הסרת חום מספקת כדי לשמור על תנאי הפעלה בטוחים. מחליף החום ממוקם בדרך כלל על פני השטח או בחלק העליון של הבריכה שם מצטברים מים חמים.

התקנות ספינה

היישום המקורי והעיקרי של כורים גרעיניים הוא השימוש שלהם בצוללות. היתרון העיקרי שלהם הוא שבניגוד למערכות בעירה של דלק מאובנים, הן אינן דורשות אוויר לייצור חשמל. לכן, צוללת גרעינית יכולה להישאר שקועה לפרקי זמן ארוכים, בעוד שצוללת דיזל חשמלית קונבנציונלית חייבת לעלות מעת לעת לפני השטח כדי להפעיל את מנועיה באוויר. נותן יתרון אסטרטגי לספינות הצי. הודות לו, אין צורך לתדלק בנמלים זרים או ממכליות פגיעות בקלות.

עקרון הפעולה של כור גרעיני על צוללת מסווג. עם זאת, ידוע שבארה"ב הוא משתמש באורניום מועשר מאוד, והוא מואט ומתקרר על ידי מים קלים. התכנון של הכור הצוללת הגרעיני הראשון, USS Nautilus, הושפע מאוד ממתקני מחקר רבי עוצמה. המאפיינים הייחודיים שלו הם עתודת תגובתיות גדולה מאוד, המבטיחה תקופת פעולה ארוכה ללא תדלוק ויכולת הפעלה מחדש לאחר עצירה. תחנת הכוח בצוללות חייבת להיות שקטה מאוד כדי למנוע גילוי. כדי לענות על הצרכים הספציפיים של סוגים שונים של צוללות, נוצרו דגמים שונים של תחנות כוח.

נושאות המטוסים של הצי האמריקני משתמשות בכור גרעיני, שעיקרון הפעולה שלו מושאל מהצוללות הגדולות ביותר. גם פרטי עיצובם לא פורסמו.

בנוסף לארצות הברית, לבריטניה הגדולה, צרפת, רוסיה, סין והודו יש צוללות גרעיניות. בכל מקרה, העיצוב לא נחשף, אך מאמינים שכולם דומים מאוד - זו תוצאה של אותן דרישות למאפיינים הטכניים שלהם. לרוסיה יש גם צי קטן שמשתמש באותם כורים כמו צוללות סובייטיות.

מתקנים תעשייתיים

לצורכי ייצור נעשה שימוש בכור גרעיני שעיקרון הפעולה שלו הוא פרודוקטיביות גבוהה עם ייצור אנרגיה נמוך. זאת בשל העובדה שנוכחות ארוכת טווח של פלוטוניום בליבה מובילה להצטברות של 240 Pu לא רצויים.

ייצור טריטיום

נכון לעכשיו, החומר העיקרי המיוצר על ידי מערכות כאלה הוא טריטיום (3H או T) - למטען עבור פלוטוניום-239 יש זמן מחצית חיים ארוך של 24,100 שנים, כך שמדינות עם ארסנל נשק גרעיני המשתמשות באלמנט זה נוטות להחזיק יותר ממנו. ממה שצריך. בניגוד ל-239 Pu, לטריטיום יש זמן מחצית חיים של כ-12 שנים. לפיכך, כדי לשמור על האספקה ​​הדרושה, יש לייצר באופן רציף את האיזוטופ הרדיואקטיבי הזה של מימן. בארצות הברית, סוואנה ריבר (דרום קרולינה), למשל, מפעיל כמה כורי מים כבדים המייצרים טריטיום.

יחידות כוח צפות

נוצרו כורים גרעיניים שיכולים לספק חשמל וחימום קיטור לאזורים מבודדים מרוחקים. ברוסיה, למשל, תחנות כוח קטנות שתוכננו במיוחד לשרת את ההתנחלויות הארקטיות מצאו שימוש. בסין, ה-10 MW HTR-10 מספק חום וכוח למכון המחקר שבו הוא ממוקם. פיתוח של כורים קטנים עם שליטה אוטומטית עם יכולות דומות מתבצע בשוודיה ובקנדה. בין 1960 ל-1972, צבא ארה"ב השתמש בכורי מים קומפקטיים כדי להפעיל בסיסים מרוחקים בגרינלנד ובאנטארקטיקה. את מקומם החליפו תחנות כוח מופעלות בנפט.

כיבוש החלל

בנוסף פותחו כורים לאספקת חשמל ותנועה בחלל החיצון. בין 1967 ל-1988, ברית המועצות התקינה יחידות גרעיניות קטנות על לווייני סדרת קוסמוס שלה כדי להפעיל ציוד וטלמטריה, אך המדיניות הפכה ליעד לביקורת. לפחות אחד מהלוויינים הללו נכנס לאטמוספירה של כדור הארץ, וגרם לזיהום רדיואקטיבי באזורים מרוחקים בקנדה. ארצות הברית שיגרה רק לוויין אחד המופעל על ידי גרעיני, ב-1965. עם זאת, ממשיכים להתפתח פרויקטים לשימושם בטיסות חלל למרחקים ארוכים, בחקירה מאוישת של כוכבי לכת אחרים או בבסיס ירח קבוע. זה יהיה בהכרח כור גרעיני מתכת מקורר גז או נוזלי, שעקרונותיו הפיזיקליים יספקו את הטמפרטורה הגבוהה ביותר האפשרית הדרושה כדי למזער את גודל הרדיאטור. בנוסף, כור לטכנולוגיית חלל חייב להיות קומפקטי ככל האפשר כדי למזער את כמות החומר המשמש למיגון ולהפחית משקל במהלך השיגור והטיסות לחלל. אספקת הדלק תבטיח את פעולת הכור לכל תקופת הטיסה לחלל.

לכורים גרעיניים יש תפקיד אחד: לפצל אטומים בתגובה מבוקרת ולהשתמש באנרגיה המשתחררת להפקת חשמל. במשך שנים רבות, כורים נתפסו כפלא ואיום כאחד.

כאשר הכור המסחרי הראשון בארה"ב עלה לרשת ב- Shippingport, פנסילבניה, בשנת 1956, הטכנולוגיה הוכרזה כמקור האנרגיה של העתיד, והיו האמינו שהכורים יהפכו את ייצור החשמל לזול מדי. ישנם כיום 442 כורים גרעיניים שנבנו ברחבי העולם, כרבע מהכורים הללו נמצאים בארצות הברית. העולם הפך להיות תלוי בכורים גרעיניים, ומייצר 14 אחוז מהחשמל שלו. עתידנים אפילו פנטזו על מכוניות גרעיניות.

כאשר הכור יחידה 2 בתחנת הכוח Three Mile Island בפנסילבניה חווה כשל במערכת הקירור והתכה חלקית של הדלק הרדיואקטיבי שלו ב-1979, התחושות החמות לגבי כורים השתנו באופן קיצוני. למרות שהכור ההרוס היה מוכל ולא נפלטה קרינה רצינית, אנשים רבים החלו לראות בכורים מורכבים ופגיעים מדי, עם פוטנציאל להשלכות קטסטרופליות. אנשים היו מודאגים גם מפסולת רדיואקטיבית מהכורים. כתוצאה מכך, נעצרה בניית תחנות כוח גרעיניות חדשות בארצות הברית. כאשר התרחשה תאונה חמורה יותר בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל בברית המועצות ב-1986, נראה היה שהכוח הגרעיני נחרץ.

אבל בתחילת שנות ה-2000, הכורים הגרעיניים החלו לעשות קאמבק, הודות לדרישות האנרגיה הגדלות והצטמצמות האספקה ​​של דלק מאובנים, כמו גם החששות הגוברים לגבי שינויי אקלים הנובעים מפליטת פחמן דו חמצני.

אבל במרץ 2011 התרחש משבר נוסף - הפעם תחנת הכוח הגרעינית פוקושימה 1 ביפן נפגעה קשות ברעידת אדמה.

שימוש בתגובה גרעינית

במילים פשוטות, כור גרעיני מפצל אטומים ומשחרר את האנרגיה שמחזיקה את חלקיהם יחד.

אם שכחת פיזיקה בתיכון, נזכיר לך איך ביקוע גרעיניעובד. אטומים הם כמו מערכות שמש זעירות, עם ליבה כמו השמש ואלקטרונים כמו כוכבי לכת במסלול סביבה. הגרעין מורכב מחלקיקים הנקראים פרוטונים וניוטרונים, הקשורים זה לזה. קשה אפילו לדמיין את הכוח הקושר את יסודות הליבה. הוא חזק פי מיליארדים מכוח הכבידה. למרות הכוח העצום הזה, אפשר לפצל גרעין - על ידי ירי ניטרונים לעברו. כאשר זה נעשה, הרבה אנרגיה תשתחרר. כאשר אטומים מתפרקים, החלקיקים שלהם מתרסקים לתוך אטומים סמוכים, מפצלים אותם, ואלה, בתורם, הם הבאים, והבאים והבאים. יש מה שנקרא תגובת שרשרת.

אורניום, יסוד בעל אטומים גדולים, אידיאלי לתהליך הביקוע מכיוון שהכוח הקושר את חלקיקי הגרעין שלו חלש יחסית ליסודות אחרים. כורים גרעיניים משתמשים באיזוטופ ספציפי שנקרא Uרץ-235 . אורניום-235 נדיר בטבע, כאשר עפרות ממכרות אורניום מכילות רק כ-0.7% אורניום-235. זו הסיבה שמשתמשים בכורים מועשרUפצעים, אשר נוצר על ידי הפרדה וריכוז אורניום-235 באמצעות תהליך דיפוזיה של גז.

תהליך תגובת שרשרת יכול להיווצר בפצצת אטום, בדומה לאלו שהוטלו על הערים היפניות הירושימה ונגסאקי במהלך מלחמת העולם השנייה. אבל בכור גרעיני, תגובת השרשרת נשלטת על ידי החדרת מוטות בקרה העשויים מחומרים כמו קדמיום, הפניום או בורון שסופגים חלק מהנייטרונים. זה עדיין מאפשר לתהליך הביקוע לשחרר מספיק אנרגיה כדי לחמם את המים לכ-270 מעלות צלזיוס ולהפוך אותם לקיטור, המשמש לסובב את הטורבינות של תחנת הכוח ולהפקת חשמל. בעיקרון, במקרה הזה, פצצה גרעינית מבוקרת פועלת במקום פחם כדי ליצור חשמל, אלא שהאנרגיה להרתיח את המים מגיעה מפיצול אטומים במקום שריפת פחמן.

רכיבי כור גרעיני

ישנם מספר סוגים שונים של כורים גרעיניים, אך כולם חולקים כמה מאפיינים משותפים. לכולם יש אספקה ​​של כדורי דלק רדיואקטיביים - בדרך כלל תחמוצת אורניום - המסודרים בצינורות ליצירת מוטות דלק. אזורים פעיליםהכור.

לכור יש גם את האמור לעיל מנהליםהמוֹטו- עשוי מחומר סופג נויטרונים כגון קדמיום, הפניום או בורון, אשר מוחדר כדי לשלוט או לעצור תגובה.

גם לכור יש מַנחֶה, חומר שמאט את הנייטרונים ועוזר לשלוט בתהליך הביקוע. רוב הכורים בארצות הברית משתמשים במים רגילים, אבל כורים במדינות אחרות משתמשים לפעמים בגרפיט, או כָּבֵדוואומַיִםבְּ-, שבו מימן מוחלף בדוטריום, איזוטופ של מימן עם פרוטון אחד ונייטרון אחד. חלק חשוב נוסף במערכת הוא הִתקָרְרוּתהונוֹזֵלב, בדרך כלל מים רגילים, שסופגים ומעבירים חום מהכור ליצירת קיטור לסחרור הטורבינה ומצננים את אזור הכור כך שלא יגיע לטמפרטורה שבה האורניום יימס (כ-3815 מעלות צלזיוס).

לבסוף, הכור סגור בתוך פגזיםבְּ-, מבנה גדול וכבד, בדרך כלל בעובי של כמה מטרים, עשוי פלדה ובטון ששומר בתוכו גזים ונוזלים רדיואקטיביים במקום שבו הם לא יכולים להזיק לאיש.

ישנם מספר עיצובי כורים שונים בשימוש, אך אחד הנפוצים ביותר הוא כור כוח מים בלחץ (VVER). בכור כזה, מים נאלצים למגע עם הליבה ואז נשארים שם בלחץ כזה שהם לא יכולים להפוך לקיטור. מים אלו באים אז במגע עם מים לא בלחץ במחולל הקיטור, שהופכים לקיטור המסובב את הטורבינות. יש גם עיצוב כור מסוג ערוץ בעל הספק גבוה (RBMK)עם מעגל מים אחד ו כור נויטרונים מהירעם שני מעגלים נתרן ואחד מים.

עד כמה בטוח כור גרעיני?

לענות על שאלה זו די קשה ותלוי במי אתה שואל ובאיך אתה מגדיר "בטוח". האם אתה מודאג מקרינה או פסולת רדיואקטיבית שנוצרת בכורים? או שאתה מודאג יותר מהאפשרות של תאונה קטסטרופלית? באיזו דרגת סיכון אתה מחשיב פשרה מקובלת על היתרונות של כוח גרעיני? ועד כמה אתה סומך על הממשלה ועל האנרגיה הגרעינית?

"קרינה" היא טיעון חזק, בעיקר בגלל שכולנו יודעים שמינונים גדולים של קרינה, כמו מפצצה גרעינית, עלולים להרוג אלפים רבים של אנשים.

תומכי הכוח הגרעיני, לעומת זאת, מציינים שכולנו נחשפים באופן קבוע לקרינה ממגוון מקורות, כולל קרניים קוסמיות וקרינה טבעית הנפלטת מכדור הארץ. מנת הקרינה השנתית הממוצעת היא כ-6.2 מיליזיוורט (mSv), מחציתו ממקורות טבעיים וחציו ממקורות מעשה ידי אדם, החל מצילומי חזה, גלאי עשן וחוגות שעונים זוהרות. כמה קרינה אנחנו מקבלים מכורים גרעיניים? רק חלק קטן מאחוז מהחשיפה השנתית הטיפוסית שלנו הוא 0.0001 mSv.

בעוד שכל המפעלים הגרעיניים דולפים בהכרח כמויות קטנות של קרינה, ועדות רגולטוריות מחייבות את מפעילי המפעלים לדרישות מחמירות. הם לא יכולים לחשוף אנשים החיים סביב המפעל ליותר מ-1 mSv של קרינה בשנה, ולעובדים במפעל יש סף של 50 mSv בשנה. זה אולי נראה כמו הרבה, אבל לפי הוועדה לרגולציה גרעינית, אין ראיות רפואיות לכך שמינוני קרינה שנתיים מתחת ל-100 mSv מהווים סיכון כלשהו לבריאות האדם.

אבל חשוב לציין שלא כולם מסכימים עם ההערכה השאננה הזו של סיכוני קרינה. לדוגמה, רופאים לאחריות חברתית, מבקר ותיק של תעשיית הגרעין, חקר ילדים שחיים סביב תחנות כוח גרעיניות גרמניות. המחקר מצא שאנשים שחיים בטווח של 5 ק"מ מצמחים היו בסיכון כפול ללקות בלוקמיה בהשוואה לאלו שחיים רחוק יותר מתחנות כוח גרעיניות.

פסולת כור גרעיני

אנרגיה גרעינית מסומנת על ידי תומכיה כאנרגיה "נקייה" מכיוון שהכור אינו פולט כמויות גדולות של גזי חממה לאטמוספירה בהשוואה לתחנות כוח פחמיות. אבל המבקרים מצביעים על בעיה סביבתית נוספת: סילוק פסולת גרעינית. חלק מהדלק המושקע מהכורים עדיין משחרר רדיואקטיביות. חומר מיותר אחר שצריך לשמור הוא פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה, שארית נוזלית מעיבוד מחדש של דלק מושקע, שבה נשאר חלק מהאורניום. נכון לעכשיו, רוב הפסולת הזו מאוחסנת מקומית בתחנות כוח גרעיניות בבריכות מים, אשר סופגות חלק מהחום שנותר המיוצר מהדלק המושקע ומסייעות בהגנה על העובדים מפני חשיפה לקרינה.

אחת הבעיות בדלק גרעיני בשימוש היא שהוא השתנה בתהליך הביקוע כאשר אטומי אורניום גדולים מפוצלים, הם יוצרים תוצרי לוואי - איזוטופים רדיואקטיביים של מספר יסודות קלים כגון צזיום-137 וסטרונציום-90. מוצרי ביקוע. הם חמים ורדיואקטיביים מאוד, אבל בסופו של דבר, במשך תקופה של 30 שנה, הם מתפוררים לצורות פחות מסוכנות. תקופה זו נקראת עבורם נתְקוּפָהאוֹםזמן מחצית חיים. ליסודות רדיואקטיביים אחרים יהיו מחצית חיים שונים. בנוסף, חלק מאטומי האורניום גם לוכדים נויטרונים, ויוצרים יסודות כבדים יותר כמו פלוטוניום. יסודות הטרנסאורניום הללו אינם יוצרים חום רב או קרינה חודרת כמו מוצרי ביקוע, אך לוקח להם הרבה יותר זמן להתפרק. לפלוטוניום-239, למשל, יש זמן מחצית חיים של 24,000 שנים.

אֵלֶה רַדִיוֹאַקטִיבִיהלְבַזבֵּזס רמה גבוההשל כורים מסוכנים לבני אדם ולצורות חיים אחרות מכיוון שהם יכולים לשחרר מינונים עצומים וקטלניים של קרינה אפילו מחשיפה קצרה. עשר שנים לאחר הוצאת הדלק שנותר מכור, למשל, הם פולטים פי 200 יותר רדיואקטיביות בשעה ממה שנדרש להרוג אדם. ואם הפסולת מגיעה למי תהום או נהרות, היא עלולה להיכנס לשרשרת המזון ולסכן מספר רב של אנשים.

בגלל שהפסולת כל כך מסוכנת, אנשים רבים נמצאים במצב קשה. 60,000 טונות של פסולת ממוקמות בתחנות כוח גרעיניות הקרובות לערים הגדולות. אבל למצוא מקום בטוח לאחסון פסולת זה לא קל.

מה יכול להשתבש עם כור גרעיני?

כאשר הרגולטורים הממשלתיים מסתכלים לאחור על הניסיון שלהם, מהנדסים השקיעו זמן רב לאורך השנים בתכנון כורים לבטיחות מיטבית. רק שהם לא מתקלקלים, עובדים כמו שצריך, ויש להם אמצעי בטיחות גיבוי אם משהו לא הולך כמתוכנן. כתוצאה מכך, שנה אחר שנה, מפעלים גרעיניים נראים בטוחים למדי בהשוואה לנסיעות אוויריות, שהורגות באופן קבוע בין 500 ל-1,100 בני אדם בשנה ברחבי העולם.

עם זאת, כורים גרעיניים סובלים מתקלות גדולות. בסולם האירועים הגרעיני הבינלאומי, המדרג את תאונות הכור מ-1 ל-7, היו חמש תאונות מאז 1957 ששיעורן מ-5 ל-7.

הסיוט הגרוע ביותר הוא כשל במערכת הקירור, מה שמוביל להתחממות יתר של הדלק. הדלק הופך לנוזל ואז נשרף דרך המיכל, ומשחרר קרינה רדיואקטיבית. ב-1979, יחידה 2 בתחנת הכוח הגרעינית באי Three Mile (ארה"ב) הייתה על סף התרחיש הזה. למרבה המזל, מערכת בלימה מתוכננת היטב הייתה חזקה מספיק כדי לעצור את בריחת הקרינה.

לברית המועצות היה פחות מזל. תאונה גרעינית קשה התרחשה באפריל 1986 ביחידת הכוח הרביעית בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל. זה נגרם על ידי שילוב של כשלים במערכת, פגמים בתכנון וכוח אדם בעל הכשרה לקויה. במהלך בדיקה שגרתית, התגובה התגברה לפתע ומוטות הבקרה נתקעו, ומנעו כיבוי חירום. הצטברות קיטור פתאומית גרמה לשני פיצוצים תרמיים, והשליכו את מנחה הגרפיט של הכור לאוויר. בהיעדר דבר לקרר את מוטות הדלק של הכור, הם החלו להתחמם יתר על המידה ולהתמוטט לחלוטין, וכתוצאה מכך הדלק קיבל צורה נוזלית. עובדי תחנות ומפרקי תאונות רבים מתו. כמות גדולה של קרינה התפשטה על פני שטח של 323,749 קמ"ר. מספר מקרי המוות שנגרמו מקרינה עדיין לא ברור, אך ארגון הבריאות העולמי אומר כי ייתכן שהוא גרם ל-9,000 מקרי מוות מסרטן.

יצרני כורים גרעיניים מספקים ערבויות המבוססות על הערכה הסתברותיתה, שבו מנסים לאזן בין הנזק הפוטנציאלי של אירוע לבין הסבירות שבה הוא מתרחש בפועל. אבל כמה מבקרים אומרים שהם צריכים להתכונן במקום זאת לאירועים נדירים, בלתי צפויים אך מסוכנים ביותר. דוגמה לכך היא התאונה במרץ 2011 בתחנת הכוח הגרעינית פוקושימה 1 ביפן. על פי הדיווחים, התחנה תוכננה לעמוד ברעידת אדמה חזקה, אך לא כזו קטסטרופלית כמו רעידת האדמה בעוצמה של 9.0 ששלחה גל צונאמי באורך 14 מטר מעל לסוללות שנועדו לעמוד בפני גל של 5.4 מטר. מתקפת הצונאמי הרסה את גנרטורי הדיזל לגיבוי שנועדו להפעיל את מערכת הקירור של ששת הכורים של המפעל במקרה של הפסקת חשמל אז גם לאחר שמוטות הבקרה של כורי פוקושימה הפסיקו את הביקוע, הדלק שעדיין חם איפשר טמפרטורות. לעלות בצורה מסוכנת בתוך הכורים ההרוסים.

גורמים יפנים פנו למוצא אחרון - הצפת הכורים בכמות עצומה של מי ים בתוספת חומצה בורית, שהצליחה למנוע אסון, אך הרסה את ציוד הכורים. בסופו של דבר, בעזרת משאיות כיבוי ודוברות, הצליחו היפנים להזרים מים מתוקים לכורים. אבל עד אז, הניטור כבר הראה רמות מדאיגות של קרינה באדמה ובמים שמסביב. בכפר אחד, 40 ק"מ מתחנת הכוח הגרעינית, נמצא היסוד הרדיואקטיבי צזיום-137 ברמות גבוהות בהרבה מאשר לאחר אסון צ'רנוביל, מה שמעלה ספק לגבי אפשרות למגורי אדם באזור.

עבור אדם רגיל, מכשירי היי-טק מודרניים הם כל כך מסתוריים וחידתיים שאפשר לסגוד להם כמו שהקדמונים סגדו לברק. שיעורי פיסיקה בבית הספר, גדושים בחישובים מתמטיים, אינם פותרים את הבעיה. אבל אתה יכול אפילו לספר סיפור מעניין על כור גרעיני, שעיקרון הפעולה שלו ברור אפילו לנער.

איך עובד כור גרעיני?

עקרון הפעולה של מכשיר היי-טק זה הוא כדלקמן:

1. כאשר נויטרון נספג, דלק גרעיני (לרוב זה אורניום-235אוֹ פלוטוניום-239) מתרחש ביקוע של גרעין האטום;
2. משתחררים אנרגיה קינטית, קרינת גמא וניוטרונים חופשיים;
3. אנרגיה קינטית מומרת לאנרגיה תרמית (כאשר גרעינים מתנגשים באטומים מסביב), קרינת גמא נספגת בכור עצמו וגם הופכת לחום;
4. חלק מהנייטרונים המיוצרים נספגים על ידי אטומי דלק, מה שגורם לתגובת שרשרת. כדי לשלוט בו, נעשה שימוש בבולמי נויטרונים ובמתונים;
5. בעזרת נוזל קירור (מים, גז או נתרן נוזלי), חום מוסר מאתר התגובה;
6. קיטור בלחץ ממים מחוממים משמש להנעת טורבינות קיטור;
7. בעזרת גנרטור, האנרגיה המכנית של סיבוב הטורבינה מומרת לזרם חשמלי לסירוגין.

גישות לסיווג

יכולות להיות סיבות רבות לטיפולוגיה של כורים:

• לפי סוג התגובה הגרעינית. ביקוע (כל המתקנים המסחריים) או היתוך (אנרגיה תרמו-גרעינית, נפוץ רק בחלק ממכוני המחקר);
• לפי נוזל קירור. ברוב המוחלט של המקרים משתמשים למטרה זו במים (רותחים או כבדים). לעתים משתמשים בפתרונות חלופיים: מתכת נוזלית (נתרן, עופרת-ביסמוט, כספית), גז (הליום, פחמן דו חמצני או חנקן), מלח מותך (מלחי פלואור);
• לפי דורות.הראשונים היו אבות טיפוס מוקדמים שלא היו הגיוניים מסחריים. שנית, רוב תחנות הכוח הגרעיניות שנמצאות כיום בשימוש נבנו לפני 1996. הדור השלישי שונה מהקודם רק בשיפורים קלים. העבודה על הדור הרביעי עדיין בעיצומה;
• לפי מצב צבירהדלק (דלק גז עדיין קיים רק על הנייר);
• לפי מטרת השימוש(להפקת חשמל, התנעת מנוע, הפקת מימן, התפלה, התמרה אלמנטרית, השגת קרינה עצבית, מטרות תיאורטיות וחקירות).

תכנון כור גרעיני

המרכיבים העיקריים של כורים ברוב תחנות הכוח הם:

1. דלק גרעיני הוא חומר הדרוש להפקת חום לטורבינות כוח (בדרך כלל אורניום מועשר נמוך);
2. ליבת הכור הגרעיני היא המקום שבו מתרחשת התגובה הגרעינית;
3. מנחה ניוטרונים - מפחית את המהירות של נויטרונים מהירים, והופך אותם לנייטרונים תרמיים;
4. מקור נויטרונים מתחיל - משמש להתחלה אמינה ויציבה של תגובה גרעינית;
5. בולם נויטרונים - זמין בחלק מתחנות הכוח כדי להפחית את התגובתיות הגבוהה של דלק טרי;
6. Neutron Howitzer - משמש להפעלה מחדש של תגובה לאחר כיבוי;
7. נוזל קירור (מים מטוהרים);
8. מוטות בקרה - לוויסות קצב הביקוע של גרעיני אורניום או פלוטוניום;
9. משאבת מים - שואבת מים לדוד הקיטור;
10. טורבינת קיטור - ממירה את האנרגיה התרמית של הקיטור לאנרגיה מכנית סיבובית;
11. מגדל קירור - מכשיר להוצאת עודפי חום לאטמוספירה;
12. מערכת קליטה ואחסון של פסולת רדיואקטיבית;
13. מערכות בטיחות (גנרטורים דיזל לשעת חירום, מכשירים לקירור ליבת חירום).

איך הדגמים האחרונים עובדים

הדור הרביעי האחרון של כורים יהיה זמין להפעלה מסחרית לא לפני 2030. נכון לעכשיו, העיקרון והמבנה של פעולתם נמצאים בשלב הפיתוח. על פי נתונים מודרניים, שינויים אלה יהיו שונים מהדגמים הקיימים בכאלה יתרונות:

• מערכת קירור גז מהירה. ההנחה היא שהליום ישמש כנוזל קירור. על פי תיעוד התכנון, ניתן לקרר כורים בטמפרטורה של 850 מעלות צלזיוס בדרך זו. כדי לפעול בטמפרטורות גבוהות כאלה, יידרשו חומרי גלם ספציפיים: חומרים קרמיים מרוכבים ותרכובות אקטיניד;
• אפשר להשתמש בעופרת או בסגסוגת עופרת-ביסמוט בתור נוזל הקירור העיקרי. לחומרים אלו קצב ספיגת נויטרונים נמוך ונקודת התכה נמוכה יחסית;
• תערובת של מלחים מותכים יכולה לשמש גם כנוזל הקירור העיקרי. זה יאפשר לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר מקבילים מודרניים מקוררים במים.

אנלוגים טבעיים בטבע

כור גרעיני נתפס בתודעה הציבורית אך ורק כתוצר של טכנולוגיה עילית. עם זאת, למעשה, הראשון כזה המכשיר ממקור טבעי. הוא התגלה באזור אוקלו שבמדינת גאבון שבמרכז אפריקה:

• הכור נוצר עקב הצפה של סלעי אורניום על ידי מי תהום. הם פעלו כמנחי נויטרונים;
• האנרגיה התרמית המשתחררת במהלך התפרקות האורניום הופכת מים לקיטור, ותגובת השרשרת נפסקת;
• לאחר ירידה בטמפרטורת נוזל הקירור, הכל חוזר שוב;
• אם הנוזל לא היה רותח ועוצר את התגובה, האנושות הייתה עומדת בפני אסון טבע חדש;
• ביקוע גרעיני מקיים את עצמו החל בכור זה לפני כמיליארד וחצי שנים. במהלך תקופה זו, סופקו כ-0.1 מיליון וואט של הספק;
• פלא כזה של העולם על פני כדור הארץ הוא היחיד הידוע. הופעתם של חדשים בלתי אפשרית: חלקו של אורניום-235 בחומרי גלם טבעיים נמוך בהרבה מהרמה הדרושה לשמירה על תגובת שרשרת.

כמה כורים גרעיניים יש בדרום קוריאה?

דלה במשאבי טבע, אך מתועשת ומאוכלסת יתר על המידה, לרפובליקה של קוריאה יש צורך יוצא דופן באנרגיה. על רקע סירובה של גרמניה להשתמש באטום השקט, למדינה הזו יש תקוות גדולות לבלימת הטכנולוגיה הגרעינית:

• מתוכנן שעד 2035 יגיע חלקו של החשמל המיוצר מתחנות כוח גרעיניות ל-60%, והייצור הכולל יעמוד על יותר מ-40 ג'יגה וואט;
• למדינה אין נשק אטומי, אבל המחקר על פיזיקה גרעינית נמשך. מדענים קוריאנים פיתחו עיצובים לכורים מודרניים: מודולריים, מימן, עם מתכת נוזלית וכו';
• ההצלחות של החוקרים המקומיים מאפשרות למכור טכנולוגיות לחו"ל. המדינה צפויה לייצא 80 יחידות כאלה במהלך 15-20 השנים הבאות;
• אבל נכון להיום, רוב תחנות הכוח הגרעיניות נבנו בסיועם של מדענים אמריקאים או צרפתים;
• מספר תחנות ההפעלה קטן יחסית (ארבעה בלבד), אך בכל אחת מהן יש מספר לא מבוטל של כורים - בסך הכל 40, והנתון הזה יגדל.

כאשר מופגז על ידי נויטרונים, דלק גרעיני נכנס לתגובת שרשרת, וכתוצאה מכך כמות עצומה של חום. המים במערכת לוקחים את החום הזה והופכים לקיטור, מה שהופך טורבינות שמייצרות חשמל. הנה תרשים פשוט של פעולתו של כור גרעיני, מקור האנרגיה החזק ביותר על פני כדור הארץ.

וידאו: איך פועלים כורים גרעיניים

בסרטון זה, הפיזיקאי הגרעיני ולדימיר חייקין יספר לכם כיצד נוצר חשמל בכורים גרעיניים והמבנה המפורט שלהם:

הכור הגרעיני הראשון נבנה בדצמבר 1942 בארה"ב בהנהגתו של E. פרמי . באירופה הושק הכור הגרעיני הראשון בדצמבר 1946 במוסקבה בהנהגת I.V. קורצ'טובה . ב-1978 כבר פעלו בעולם כאלף כורים גרעיניים מסוגים שונים. המרכיבים של כל כור גרעיני הם: ליבהעִם דלק גרעיני, בדרך כלל מוקף ברפלקטור נויטרונים, נוזל קירור, מערכת בקרת תגובת שרשרת, הגנת קרינה, מערכת שלט רחוק ( אוֹרֶז. 1). המאפיין העיקרי של כור גרעיני הוא כוחו. כוח ב-1 Mvמתאים לתגובת שרשרת שבה מתרחשות 3 10 16 פעולות של ביקוע ל-1 שניות
תכנון של כורים גרעיניים.

כור כוח גרעיני הוא מכשיר שבו מתבצעת תגובת שרשרת מבוקרת של ביקוע של גרעינים של יסודות כבדים, והאנרגיה התרמית המשתחררת בתהליך זה מוסרת על ידי נוזל קירור. המרכיב העיקרי של כור גרעיני הוא הליבה. הוא מכיל דלק גרעיני ומבצע תגובת שרשרת ביקוע. הליבה היא אוסף של יסודות דלק המכילים דלק גרעיני המוצבים בצורה מסוימת. כורי נויטרונים תרמיים משתמשים במנחה. נוזל קירור נשאב דרך הליבה כדי לקרר את אלמנטי הדלק. בסוגים מסוימים של כורים, תפקיד המנחה ונוזל הקירור מתבצע על ידי אותו חומר, למשל מים רגילים או כבדים.

דיאגרמת כור הומוגנית: גוף כור אחד, 2 ליבות, מפצה 3 נפחים, 4 מחליף חום, 5 יציאות קיטור, כניסת 6 מי הזנה, משאבת 7 מחזוריות

כדי לשלוט על פעולת הכור, מוכנסים לליבה מוטות בקרה העשויים מחומרים בעלי חתך ספיגת נויטרונים גדול. הליבה של כורי הכוח מוקפת ברפלקטור נויטרונים - שכבה של חומר מנחה להפחתת דליפת נויטרונים מהליבה. בנוסף, הודות לרפלקטור, צפיפות הנייטרונים ושחרור האנרגיה משתווים בכל נפח הליבה, מה שמאפשר להשיג כוח גדול יותר עבור גודל אזור נתון, להשיג שחיקה אחידה יותר של דלק, להגדיל את זמן הפעולה של הכור מבלי להעמיס על הדלק, ולפשט את מערכת הסרת החום. הרפלקטור מחומם עקב האנרגיה של האטה ונספגת נויטרונים וגמא קוונטים, ולכן הקירור שלו מסופק. הליבה, הרפלקטור ושאר האלמנטים ממוקמים בתוך בית או מעטפת אטומים, בדרך כלל מוקפים במיגון ביולוגי.

בליבת כור גרעיני יש דלק גרעיני, מתרחשת תגובת שרשרת של ביקוע גרעיני ומשתחררת אנרגיה. כור גרעיני מדינה מאופיין במקדם יעיל קףכפל נויטרונים או תגובתיות r:

R = (K ¥ - 1)/K eff. (1)

אִם K ef > 1, אז תגובת השרשרת עולה עם הזמן, הכור הגרעיני נמצא במצב סופר קריטי והתגובתיות שלו r > 0; אִם K eff< 1 , ואז התגובה גוועת, הכור תת-קריטי, ר< 0; при אֶל ¥ = 1, r = 0, הכור נמצא במצב קריטי, תהליך נייח בעיצומו ומספר הבקעים קבוע לאורך זמן. כדי ליזום תגובת שרשרת בעת הפעלת כור גרעיני, בדרך כלל מכניסים לליבה מקור נויטרונים (תערובת של Ra ו-Be, 252 Cf וכו'), אם כי אין צורך בכך, שכן ביקוע ספונטני של גרעיני אורניום ו קרניים קוסמיותלספק מספר מספיק של נויטרונים ראשוניים לפיתוח תגובת שרשרת ב K ef > 1.

235 U משמש כחומר בקיע ברוב הכורים הגרעיניים אם הליבה, בנוסף לדלק גרעיני (אורניום טבעי או מועשר), מכילה מנחה נויטרונים (גרפיט, מים וחומרים אחרים המכילים גרעינים קלים, ראה. מתינות ניוטרונים), אז החלק העיקרי של חלוקות מתרחש תחת השפעה נויטרונים תרמיים (כור תרמי). כור גרעיני המשתמש בניוטרונים תרמיים יכול להשתמש באורניום טבעי שאינו מועשר ב-235 U (כאלה היו הכורים הגרעיניים הראשונים). אם אין מנחה בליבה, עיקר הביקוע נגרם על ידי נויטרונים מהירים עם אנרגיה x n > 10 kev (כור מהיר). אפשריים גם כורי נויטרונים ביניים עם אנרגיות של 1-1000 ev.

לתנאי הקריטיות של כור גרעיני יש את הצורה:

קף = ק ¥ × P = 1 , (1)

כאשר 1 - P הוא ההסתברות לבריחת נויטרונים (דליפה) מליבה של הכור הגרעיני, אֶל ¥ - גורם הכפל הנייטרונים בליבה גדולה לאין שיעור, שנקבע עבור כור גרעיני תרמי על ידי מה שנקרא "נוסחת ארבעה גורמים":

אֶל¥ = neju. (2)

כאן n הוא המספר הממוצע של נויטרונים משניים (מהירים) שנוצרו במהלך ביקוע של גרעין 235 U על ידי נויטרונים תרמיים, e הוא מקדם הכפל בניוטרונים מהירים (עלייה במספר הנייטרונים עקב ביקוע של גרעינים, בעיקר 238 גרעיני U, על ידי נויטרונים מהירים); j היא ההסתברות שנייטרון לא ייתפס על ידי גרעין 238 U במהלך תהליך ההאטה, u היא ההסתברות שנייטרון תרמי יגרום לביקוע. לעתים קרובות נעשה שימוש בערך h = n/(l + a), כאשר a הוא היחס בין חתך לכידת הקרינה s p לבין חתך הביקוע s d.

מצב (1) קובע את מידות הכור הגרעיני לדוגמה, עבור כור גרעיני העשוי מאורניום טבעי וגרפיט n = 2.4. e » 1.03, eju » 0.44, מאיפה אֶל¥ = 1.08. זה אומר שעבור אֶל ¥ > 1 P הכרחי<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 מ.נפחו של כור גרעיני אנרגיה מודרני מגיע למאות מ 3ונקבע בעיקר לפי יכולות הסרת חום, ולא לפי תנאי קריטיות. נפח האזור הפעיל של כור גרעיני במצב קריטי נקרא הנפח הקריטי של הכור הגרעיני, ומסת החומר הבקיע נקראת המסה הקריטית. לכור גרעיני עם דלק בצורה של תמיסות של מלחים של איזוטופים בקיעים טהורים במים ועם רפלקטור נויטרונים מים יש המסה הקריטית הנמוכה ביותר. עבור 235 U המסה הזו היא 0.8 ק"ג, עבור 239 פו - 0,5 ק"ג . ל-251 Cf המסה הקריטית הקטנה ביותר (תיאורטית 10 גרם). פרמטרים קריטיים של כור גרעיני גרפיט עם אורניום טבעי: מסת אורניום 45 ט, נפח גרפיט 450 מ 3 . כדי להפחית את דליפת הנייטרונים, הליבה מקבלת צורה כדורית או כמעט כדורית, למשל גליל עם גובה בסדר גודל של קוטר או קובייה (יחס משטח לנפח הקטן ביותר).

הערך של n ידוע עבור נויטרונים תרמיים עם דיוק של 0.3% (טבלה 1). עם עלייה באנרגיה x n של הנייטרון שגרם לביקוע, n עולה לפי החוק: n = n t + 0.15x n (x n in Mev), כאשר n t מתאים לביקוע על ידי נויטרונים תרמיים.

לוּחַ 1. - ערכים n ו-h) עבור נויטרונים תרמיים (על פי נתונים לשנת 1977)

הערך (e-1) הוא בדרך כלל רק כמה אחוזים בכל זאת, תפקידו של כפל נויטרונים מהיר הוא משמעותי, שכן עבור כורים גרעיניים גדולים (; אֶל ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

הערך המרבי האפשרי של J מושג בכור גרעיני, המכיל רק גרעינים בקיעים. כורי אנרגיה גרעיניים משתמשים באורניום מועשר בצורה חלשה (ריכוז של 235 U ~ 3-5%), ו-238 U גרעינים סופגים חלק ניכר מהנייטרונים. לפיכך, עבור תערובת טבעית של איזוטופים אורניום, הערך המרבי של nJ = 1.32. ספיגת הנייטרונים במנחה ובחומרים המבניים בדרך כלל אינה עולה על 5-20% מהספיגה של כל האיזוטופים של הדלק הגרעיני. מבין המנחים, למים כבדים יש את הספיגה הנמוכה ביותר של נויטרונים, ושל חומרים מבניים - Al ו-Zr.

ההסתברות ללכידת תהודה של נויטרונים על ידי 238 גרעינים U במהלך תהליך המתון (1-j) מופחתת באופן משמעותי בכור גרעיני הטרוגני הירידה (1 - j) נובעת מכך שמספר הנייטרונים עם אנרגיה קרובה ל התהודה יורדת בחדות בתוך בלוק הדלק ובספיגה בתהודה מעורבת רק השכבה החיצונית של הבלוק. המבנה ההטרוגני של הכור הגרעיני מאפשר לבצע תהליך שרשרת באמצעות אורניום טבעי. זה מפחית את הערך של O, אבל הפסד זה בתגובתיות קטן משמעותית מהרווח עקב ירידה בספיגת התהודה.

כדי לחשב את התכונות התרמיות של כור גרעיני, יש צורך לקבוע את הספקטרום של נויטרונים תרמיים. אם ספיגת הנייטרונים חלשה מאוד והנייטרון מצליח להתנגש בגרעיני מתון פעמים רבות לפני הקליטה, אז נוצר שיווי משקל תרמודינמי (תרמליזציה של ניטרונים) בין המדיום הממתן לגז הנייטרונים, ומתואר ספקטרום הנייטרונים התרמיים. הפצת מקסוול . במציאות, ספיגת הנייטרונים בליבת כור גרעיני גבוהה למדי. זה מוביל לסטייה מהתפלגות מקסוול - האנרגיה הממוצעת של נויטרונים גדולה מהאנרגיה הממוצעת של מולקולות המדיום. תהליך התרמיליזציה מושפע מתנועות גרעינים, קשרים כימיים של אטומים וכו'.

שחיקה ורבייה של דלק גרעיני. במהלך פעולתו של כור גרעיני מתרחש שינוי בהרכב הדלק עקב הצטברות שברי ביקוע בו (ראה. ביקוע גרעיני) ועם חינוך אלמנטים טרנסאורניים, בעיקר איזוטופים Pu. השפעת שברי ביקוע על תגובתיות כור גרעיני נקרא הרעלה (עבור שברים רדיואקטיביים) וסיגים (עבור יציבים). הרעלה נגרמת בעיקר על ידי 135 Xe בעל חתך ספיגת הנייטרונים הגדול ביותר (2.6 10 6 אֹסֶם). זמן מחצית החיים שלו T 1/2 = 9.2 שעות, תפוקת הביקוע היא 6-7%. החלק העיקרי של 135 Xe נוצר כתוצאה מהדעיכה של 135 ]( מֶרכַּז קְנִיוֹת = 6,8 ח). כאשר מורעל, Cef משתנה ב-1-3%. חתך הספיגה הגדול של 135 Xe ונוכחות איזוטופ הביניים 135 I מביאים לשתי תופעות חשובות: 1) לעלייה בריכוז 135 Xe וכתוצאה מכך לירידה בתגובתיות של כור גרעיני אחריו. מופסק או ההספק מופחת ("בור יוד"). זה מאלץ רזרבה נוספת של תגובתיות בגופי הרגולציה או הופך עצירות קצרות טווח ותנודות כוח לבלתי אפשריות. העומק ומשך של באר היוד תלויים בשטף הנויטרונים Ф: ב-Ф = 5·10 13 נויטרונים/ס"מ 2 × שניותמשך הבאר יוד ~ 30 ח, והעומק גדול פי 2 מהשינוי הנייח K eff, שנגרם על ידי הרעלת 135 Xe. 2) עקב הרעלה, יכולות להתרחש תנודות מרחביות-זמניות של שטף הנויטרונים F, ולפיכך כוח, כור גרעיני תנודות אלו מתרחשות ב-F> 10 13 נויטרונים/ס"מ 2 × שניות ובגדלים גדולים תקופות תנודה של כור גרעיני ~ 10. ח.

מספר השברים היציבים השונים הנובעים מביקוע גרעיני גדול. ישנם שברים בעלי חתכי ספיגה גדולים וקטנים בהשוואה לחתך הספיגה של האיזוטופ הבקיע. הריכוז של הראשון מגיע לרוויה במהלך הימים הראשונים להפעלת הכור הגרעיני (בעיקר 149 Sm, שינוי Keff ב-1%). הריכוז של האחרונים והתגובתיות השלילית שהם מציגים עולים באופן ליניארי עם הזמן.

היווצרות יסודות טרנסאורניום בכור גרעיני מתרחשת על פי הסכמות הבאות:

כאן 3 פירושו לכידת נויטרונים, המספר מתחת לחץ הוא זמן מחצית החיים.

הצטברות של 239 Pu (דלק גרעיני) בתחילת פעולתו של כור גרעיני מתרחשת באופן ליניארי בזמן, וככל שהעשרת האורניום תהיה מהירה יותר (עם שריפה קבועה של 235 U). אז הריכוז של 239 Pu נוטה לערך קבוע, שאינו תלוי במידת ההעשרה, אלא נקבע על פי היחס בין חתכי לכידת נויטרונים של 238 U ו-239 Pu . זמן אופייני לביסוס ריכוז שיווי משקל 239 פו ~ 3/ F שנים (F ביחידות 10 13 נויטרונים/ ס"מ 2×שניה). האיזוטופים 240 Pu ו-241 Pu מגיעים לריכוזי שיווי משקל רק לאחר בעירה מחדש של דלק בכור גרעיני לאחר חידוש דלק גרעיני.

שריפת דלק גרעיני מאופיינת על ידי סך האנרגיה המשתחררת לכור הגרעיני לכל 1 טדֶלֶק. עבור כור גרעיני הפועל על אורניום טבעי, השריפה המקסימלית היא ~10 GW × יום/ת(כור גרעיני מים כבדים). B כור גרעיני עם אורניום מועשר בצורה חלשה (2-3% 235 U) השחיקה ~ 20-30 מושגת GW-day/t.בכור גרעיני ניוטרונים מהיר - עד 100 GW-day/t.שחיקה 1 GW-day/tמתאים לבעירה של 0.1% דלק גרעיני.

כאשר דלק גרעיני נשרף, תגובתיותו של כור גרעיני פוחתת (בכור גרעיני המשתמש באורניום טבעי, בהתבערות קטנות, מתרחשת עלייה קלה בתגובתיות). החלפת דלק שרוף יכולה להתבצע באופן מיידי מכל הליבה או בהדרגה לאורך מוטות הדלק כך שהליבה מכילה מוטות דלק מכל הגילאים - מצב עומס יתר מתמשך (אפשרויות ביניים). במקרה הראשון, לכור גרעיני עם דלק טרי יש עודף תגובתיות שיש לפצות. במקרה השני, פיצוי כזה נחוץ רק במהלך האתחול הראשוני, לפני כניסה למצב עומס יתר מתמשך. טעינה מתמשכת מאפשרת להגדיל את עומק השריפה, שכן התגובתיות של כור גרעיני נקבעת על פי הריכוזים הממוצעים של גרעינים בקיעים (פורקים יסודות דלק עם ריכוז מינימלי של גרעיני בקיעים טבלה 2 מציגה את הרכב הגרעין המוחזר). דלק (ב ק"ג) ו כור מים בלחץכוח 3 Gvt.הליבה כולה נפרקת בו זמנית לאחר הפעלת הכור הגרעיני במשך 3 שניםו"קטעים" 3 שנים(Ф = 3×10 13 נויטרונים/ס"מ 2 × שניות). הרכב ראשוני: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

לוּחַ 2. - הרכב הדלק שנפרק, ק"ג