Neytronning kashf etilishi insoniyatning atom davrining xabarchisi edi, chunki fiziklarning qo'lida zaryad yo'qligi sababli har qanday, hatto og'ir yadrolarga ham kira oladigan zarracha bor edi. Uran yadrolarini neytronlar bilan bombardimon qilish bo'yicha italyan fizigi E.Fermi tomonidan o'tkazilgan tajribalar davomida radioaktiv izotoplar va transuranik elementlar - neptuniy va plutoniy olindi. Shunday qilib, yadroviy reaktorni - o'zining energiya quvvati bo'yicha avval insoniyat tomonidan yaratilgan barcha narsadan ustun bo'lgan qurilmani yaratish mumkin bo'ldi.

Yadro reaktori zanjir printsipiga asoslangan boshqariladigan yadroviy parchalanish reaktsiyasi sodir bo'ladigan qurilma. Bu tamoyil quyidagicha. Neytronlar tomonidan bombardimon qilingan uran yadrolari parchalanadi va bir nechta yangi neytronlarni hosil qiladi, bu esa o'z navbatida keyingi yadrolarning bo'linishiga olib keladi. Bu jarayon bilan neytronlar soni tez ortadi. Bir parchalanish fazasidagi neytronlar sonining yadro yemirilishining oldingi fazasidagi neytronlar soniga nisbati ko'payish omili deyiladi.

Yadro reaktsiyasini boshqarish uchun yadroviy reaktor kerak bo'lib, u atom elektr stantsiyalarida, suv osti kemalarida, eksperimental yadro inshootlarida va boshqalarda qo'llaniladi. Nazorat qilinmagan yadroviy reaktsiya muqarrar ravishda ulkan halokatli kuchning portlashiga olib keladi. Ushbu turdagi zanjir reaktsiyasi faqat portlashlarda qo'llaniladi va yadroviy parchalanishning maqsadi hisoblanadi.

Chiqarilgan neytronlar juda katta tezlikda harakatlanadigan yadro reaktori reaktsiyani boshqarish uchun elementar zarrachalar energiyasining bir qismini o'zlashtiradigan maxsus materiallar bilan jihozlangan. Neytron harakatining tezligi va inertsiyasini pasaytirish qobiliyatiga ega bo'lgan bunday materiallar yadro reaktsiyasining moderatorlari deb ataladi.

Quyidagilardan iborat. Reaktorning ichki bo'shliqlari maxsus naychalar ichida aylanib yuradigan distillangan suv bilan to'ldiriladi. Neytron energiyasining bir qismini o'zlashtiradigan grafit tayoqchalari yadrodan chiqarilganda yadro reaktori avtomatik ravishda yoqiladi. Zanjir reaktsiyasining boshlanishi bilan reaktor yadrosida aylanib yuradigan juda ko'p miqdordagi issiqlik energiyasi chiqariladi, shu bilan birga suv 320 o C haroratgacha qizdiriladi.

Keyin birlamchi konturning suvi bug 'generatorining quvurlari orqali ichkariga kirib, reaktor yadrosidan olingan issiqlik energiyasini u bilan aloqa qilmasdan ikkilamchi kontaktlarning zanglashiga olib boradi, bu esa radioaktiv zarralarning reaktorga kirishiga to'sqinlik qiladi. zal.

Keyingi jarayon har qanday issiqlik elektr stantsiyasida sodir bo'ladigan jarayondan farq qilmaydi - bug'ga aylangan ikkilamchi kontur suv turbinalarning aylanishini beradi. Turbinalar esa elektr energiyasini ishlab chiqaradigan ulkan elektr generatorlarini faollashtiradi.

Yadro reaktori faqat inson ixtirosi emas. Xuddi shu fizika qonunlari butun koinotda amal qilganligi sababli, yadroviy parchalanish energiyasi koinotning uyg'un tuzilishini va Yerdagi hayotni saqlab qolish uchun zarurdir. Tabiiy yadroviy reaktor yulduzlar bilan ifodalanadi. Ulardan biri esa o‘z energiyasi bilan sayyoramizda hayot paydo bo‘lishi uchun barcha sharoitlarni yaratgan Quyoshdir.

Qurilma va ishlash printsipi o'z-o'zidan ta'minlangan yadro reaktsiyasini ishga tushirish va boshqarishga asoslangan. U tadqiqot vositasi sifatida, radioaktiv izotoplarni ishlab chiqarishda va atom elektr stantsiyalari uchun energiya manbai sifatida ishlatiladi.

ishlash printsipi (qisqacha)

Bunda ogʻir yadro ikki kichik boʻlakka boʻlinish jarayoni qoʻllaniladi. Bu fragmentlar juda hayajonlangan holatda bo'lib, neytronlar, boshqa subatomik zarralar va fotonlarni chiqaradi. Neytronlar yangi bo'linishlarni keltirib chiqarishi mumkin, buning natijasida ularning ko'pi chiqariladi va hokazo. Bunday uzluksiz o'z-o'zini ta'minlaydigan bo'linishlar seriyasi zanjirli reaktsiya deb ataladi. Bu ishlab chiqarish atom elektr stansiyalarini ishlatishdan maqsad bo'lgan katta miqdordagi energiyani chiqaradi.

Yadro reaktorining ishlash printsipi shundan iboratki, bo'linish energiyasining taxminan 85% reaktsiya boshlanganidan keyin juda qisqa vaqt ichida ajralib chiqadi. Qolganlari bo'linish mahsulotlarining neytronlarni chiqargandan keyin radioaktiv parchalanishi natijasida hosil bo'ladi. Radioaktiv parchalanish atomning barqarorroq holatga kelishi jarayonidir. Bo'linish tugagandan so'ng davom etadi.

Atom bombasida zanjir reaktsiyasi materialning katta qismi parchalanmaguncha kuchayadi. Bu juda tez sodir bo'lib, bunday bombalarga xos bo'lgan juda kuchli portlashlarni keltirib chiqaradi. Yadro reaktorining dizayni va ishlash printsipi zanjir reaktsiyasini boshqariladigan, deyarli doimiy darajada ushlab turishga asoslangan. U shunday yaratilganki, u atom bombasi kabi portlamaydi.

Zanjirli reaktsiya va tanqidiylik

Yadro bo'linish reaktorining fizikasi shundan iboratki, zanjir reaktsiyasi neytronlarni chiqargandan keyin yadroning bo'linish ehtimoli bilan belgilanadi. Agar ikkinchisining populyatsiyasi kamaysa, bo'linish tezligi oxir-oqibat nolga tushadi. Bunday holda, reaktor subkritik holatda bo'ladi. Agar neytron populyatsiyasi doimiy darajada saqlansa, bo'linish tezligi barqaror bo'lib qoladi. Reaktor og'ir holatda bo'ladi. Nihoyat, agar neytronlarning populyatsiyasi vaqt o'tishi bilan o'ssa, bo'linish tezligi va quvvati ortadi. Yadro holati o'ta kritik bo'ladi.

Yadro reaktorining ishlash printsipi quyidagicha. U ishga tushirilishidan oldin neytron populyatsiyasi nolga yaqin. Keyin operatorlar yadrodan boshqaruv tayoqchalarini olib tashlashadi, bu yadro bo'linishini kuchaytiradi, bu esa reaktorni vaqtincha o'ta kritik holatga keltiradi. Nominal quvvatga erishgandan so'ng, operatorlar neytronlar sonini sozlab, boshqaruv novdalarini qisman qaytaradilar. Keyinchalik reaktor og'ir holatda saqlanadi. Uni to'xtatish kerak bo'lganda, operatorlar novdalarni oxirigacha kiritadilar. Bu bo'linishni bostiradi va yadroni subkritik holatga o'tkazadi.

Reaktor turlari

Dunyodagi atom elektr stantsiyalarining aksariyati elektr stansiyalari bo'lib, ular elektr energiyasi generatorlarini harakatga keltiradigan turbinalarni aylantirish uchun zarur bo'lgan issiqlikni ishlab chiqaradi. Bundan tashqari, ko'plab tadqiqot reaktorlari mavjud va ba'zi mamlakatlarda atom energiyasi bilan ishlaydigan suv osti kemalari yoki yer usti kemalari mavjud.

Energiya inshootlari

Ushbu turdagi reaktorlarning bir nechta turlari mavjud, ammo engil suv dizayni keng qo'llaniladi. O'z navbatida, u bosimli suv yoki qaynoq suvdan foydalanishi mumkin. Birinchi holda, yuqori bosimli suyuqlik yadroning issiqligi bilan isitiladi va bug 'generatoriga kiradi. U erda birlamchi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan issiqlik ikkinchi darajali kontaktlarning zanglashiga olib boriladi, u ham suvni o'z ichiga oladi. Yakuniy hosil bo'lgan bug 'bug' turbinasi aylanishida ishchi suyuqlik bo'lib xizmat qiladi.

Qaynayotgan suv reaktori to'g'ridan-to'g'ri energiya aylanishi printsipi asosida ishlaydi. Yadrodan o'tadigan suv o'rtacha bosimda qaynatiladi. To'yingan bug 'reaktor idishida joylashgan bir qator ajratgichlar va quritgichlar orqali o'tadi, bu esa uning qizib ketishiga olib keladi. Keyinchalik qizdirilgan suv bug'i turbinani aylantirish uchun ishchi suyuqlik sifatida ishlatiladi.

Yuqori haroratli gaz sovutiladi

Yuqori haroratli gaz bilan sovutilgan reaktor (HTGR) yadroviy reaktor bo'lib, uning ishlash printsipi yoqilg'i sifatida grafit va yonilg'i mikrosferalari aralashmasidan foydalanishga asoslangan. Ikkita raqobatlashuvchi dizayn mavjud:

• grafit qobig'idagi grafit va yoqilg'ining aralashmasi bo'lgan 60 mm diametrli sferik yonilg'i elementlaridan foydalanadigan nemis "to'ldirish" tizimi;
• yadro hosil qilish uchun o'zaro bog'langan grafit olti burchakli prizmalar ko'rinishidagi Amerika versiyasi.

Ikkala holatda ham sovutish suvi taxminan 100 atmosfera bosimi ostida geliydan iborat. Germaniya tizimida geliy sferik yonilg'i elementlari qatlamidagi bo'shliqlardan, Amerika tizimida esa geliy reaktorning markaziy zonasi o'qi bo'ylab joylashgan grafit prizmalarining teshiklaridan o'tadi. Ikkala variant ham juda yuqori haroratlarda ishlashi mumkin, chunki grafit juda yuqori sublimatsiya haroratiga ega va geliy butunlay kimyoviy inertdir. Issiq geliy to'g'ridan-to'g'ri gaz turbinasida yuqori haroratda ishlaydigan suyuqlik sifatida qo'llanilishi mumkin yoki uning issiqligi suv aylanishi bug'ini hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin.

Suyuq metall va ishlash printsipi

Natriy bilan sovutilgan tez reaktorlar 1960 va 1970 yillarda katta e'tiborga sazovor bo'ldi. O'shanda ularning naslchilik qobiliyati tez sur'atlar bilan rivojlanayotgan atom sanoati uchun yoqilg'i ishlab chiqarish uchun zarur bo'lib tuyuldi. 1980-yillarda bu umidning haqiqiy emasligi ma'lum bo'lgach, ishtiyoq susaydi. Biroq, bunday turdagi bir qator reaktorlar AQSh, Rossiya, Frantsiya, Buyuk Britaniya, Yaponiya va Germaniyada qurilgan. Ularning aksariyati uran dioksidi yoki uning plutoniy dioksidi bilan aralashmasidan ishlaydi. Qo'shma Shtatlarda esa metall yoqilg'ilar bilan eng katta muvaffaqiyatga erishildi.

CANDU

Kanada o'z sa'y-harakatlarini tabiiy urandan foydalanadigan reaktorlarga qaratmoqda. Bu esa uni boyitish uchun boshqa davlatlar xizmatlariga murojaat qilish zaruratini bartaraf etadi. Ushbu siyosatning natijasi deyteriy-uran reaktori (CANDU) edi. U nazorat qilinadi va og'ir suv bilan sovutiladi. Yadro reaktorining dizayni va ishlash printsipi atmosfera bosimida sovuq D 2 O rezervuaridan foydalanishdan iborat. Yadroga tabiiy urandan tayyorlangan yoqilg'i bilan tsirkonyum qotishmasidan yasalgan quvurlar kiradi va u orqali uni sovutadigan og'ir suv aylanadi. Elektr quvvati og'ir suvdagi parchalanish issiqligini bug 'generatori orqali aylanadigan sovutish suviga o'tkazish orqali ishlab chiqariladi. Keyin ikkilamchi konturdagi bug 'an'anaviy turbina aylanishidan o'tadi.

Tadqiqot ob'ektlari

Ilmiy tadqiqotlar uchun yadro reaktori ko'pincha ishlatiladi, uning ishlash printsipi suvni sovutish va plastinka shaklidagi uran yoqilg'i elementlarini yig'ilishlar shaklida ishlatishdir. Bir necha kilovattdan yuzlab megavattgacha bo'lgan keng quvvat darajasida ishlashga qodir. Elektr ishlab chiqarish tadqiqot reaktorlarining asosiy maqsadi emasligi sababli, ular ishlab chiqarilgan issiqlik energiyasi, zichlik va yadro neytronlarining nominal energiyasi bilan tavsiflanadi. Aynan mana shu parametrlar tadqiqot reaktorining aniq tadqiqot o'tkazish qobiliyatini aniqlashga yordam beradi. Kam quvvatli tizimlar odatda universitetlarda topiladi va o'qitish uchun ishlatiladi, yuqori quvvatli tizimlar esa tadqiqot laboratoriyalarida materiallar va ishlash testlari va umumiy tadqiqotlar uchun kerak.

Eng keng tarqalgani tadqiqot yadroviy reaktor bo'lib, uning tuzilishi va ishlash printsipi quyidagicha. Uning yadrosi katta, chuqur suv havzasining tubida joylashgan. Bu neytron nurlarini yo'naltirish mumkin bo'lgan kanallarni kuzatish va joylashtirishni soddalashtiradi. Kam quvvat darajasida sovutish suvini pompalamaya hojat yo'q, chunki sovutish suvining tabiiy konvektsiyasi xavfsiz ish sharoitlarini ta'minlash uchun etarli issiqlikni olib tashlashni ta'minlaydi. Issiqlik moslamasi odatda yuzada yoki issiq suv to'plangan hovuzning yuqori qismida joylashgan.

Kema inshootlari

Yadro reaktorlarining asl va asosiy qo'llanilishi ularni suv osti kemalarida ishlatishdir. Ularning asosiy afzalligi shundaki, qazib olinadigan yoqilg'i yonish tizimlaridan farqli o'laroq, ular elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun havo talab qilmaydi. Shu sababli, atom suv osti kemasi uzoq vaqt suv ostida qolishi mumkin, an'anaviy dizel-elektr suv osti kemasi esa vaqti-vaqti bilan o'z dvigatellarini havoda yoqish uchun suv yuzasiga ko'tarilishi kerak. dengiz kemalariga strategik ustunlik beradi. Uning yordamida xorijiy portlarda yoki oson zaif tankerlardan yonilg'i quyishning hojati yo'q.

Suv osti kemasidagi yadro reaktorining ishlash printsipi tasniflanadi. Biroq, ma'lumki, AQShda u yuqori darajada boyitilgan urandan foydalanadi va engil suv bilan sekinlashadi va sovutiladi. Birinchi yadroviy suv osti reaktori - USS Nautilusning dizayni kuchli tadqiqot ob'ektlari tomonidan katta ta'sir ko'rsatdi. Uning o'ziga xos xususiyatlari juda katta reaktivlik zahirasi bo'lib, yonilg'i quyishsiz uzoq vaqt ishlashni ta'minlaydi va to'xtashdan keyin qayta ishga tushirish imkoniyatini beradi. Suv osti kemalaridagi elektr stantsiyasi aniqlanmaslik uchun juda jim bo'lishi kerak. Har xil sinfdagi suv osti kemalarining o'ziga xos ehtiyojlarini qondirish uchun elektr stantsiyalarining turli modellari yaratildi.

AQSh harbiy-dengiz kuchlarining samolyot tashuvchilari yadro reaktoridan foydalanadilar, uning ishlash printsipi eng yirik suv osti kemalaridan olingan deb hisoblanadi. Ularning dizayni tafsilotlari ham e'lon qilinmagan.

AQSHdan tashqari Buyuk Britaniya, Fransiya, Rossiya, Xitoy va Hindiston yadroviy suv osti kemalariga ega. Har bir holatda, dizayn oshkor etilmagan, ammo ularning barchasi juda o'xshash deb ishoniladi - bu ularning texnik xususiyatlariga bir xil talablarning natijasidir. Rossiyada ham Sovet suv osti kemalari bilan bir xil reaktorlardan foydalanadigan kichik flot mavjud.

Sanoat inshootlari

Ishlab chiqarish maqsadlarida yadro reaktori qo'llaniladi, uning ishlash printsipi past energiya ishlab chiqarish bilan yuqori mahsuldorlikka ega. Buning sababi shundaki, yadroda plutoniyning uzoq vaqt mavjudligi istalmagan 240 Pu to'planishiga olib keladi.

Tritiy ishlab chiqarish

Hozirgi vaqtda bunday tizimlar tomonidan ishlab chiqariladigan asosiy material tritiydir (3H yoki T) - Plutonium-239 zaryadining yarimparchalanish muddati 24,100 yilni tashkil etadi, shuning uchun ushbu elementdan foydalanadigan yadroviy qurol arsenaliga ega mamlakatlarda u ko'proq bo'ladi. kerak bo'lgandan ko'ra. 239 Pu dan farqli o'laroq, tritiyning yarimparchalanish davri taxminan 12 yil. Shunday qilib, zarur zaxiralarni ta'minlash uchun vodorodning ushbu radioaktiv izotopi doimiy ravishda ishlab chiqarilishi kerak. Masalan, AQShda Savanna daryosi (Janubiy Karolina) tritiy ishlab chiqaradigan bir nechta og'ir suv reaktorlarini boshqaradi.

Suzuvchi quvvat bloklari

Olis izolyatsiyalangan hududlarni elektr va bug 'isitish bilan ta'minlaydigan yadro reaktorlari yaratildi. Masalan, Rossiyada Arktika aholi punktlariga xizmat ko'rsatish uchun maxsus mo'ljallangan kichik elektr stantsiyalari foydalanishni topdi. Xitoyda 10 MVt quvvatga ega HTR-10 o'zi joylashgan tadqiqot institutini issiqlik va quvvat bilan ta'minlaydi. Shvetsiya va Kanadada ham xuddi shunday imkoniyatlarga ega avtomatik boshqariladigan kichik reaktorlarni ishlab chiqish ishlari olib borilmoqda. 1960-1972 yillarda AQSh armiyasi Grenlandiya va Antarktidadagi masofaviy bazalarni quvvatlantirish uchun ixcham suv reaktorlaridan foydalangan. Ularning o'rnida neft bilan ishlaydigan elektr stansiyalari paydo bo'ldi.

Kosmosni zabt etish

Bundan tashqari, kosmosda energiya ta'minoti va harakatlanish uchun reaktorlar ishlab chiqilgan. 1967-1988 yillar oralig'ida Sovet Ittifoqi o'zining Kosmos seriyali sun'iy yo'ldoshlariga uskunalar va telemetriyani quvvatlantirish uchun kichik yadroviy bloklarni o'rnatdi, ammo bu siyosat tanqid nishoniga aylandi. Ushbu sun'iy yo'ldoshlardan kamida bittasi Yer atmosferasiga kirib, Kanadaning chekka hududlarida radioaktiv ifloslanishni keltirib chiqardi. Qo'shma Shtatlar faqat bitta yadroviy sun'iy yo'ldoshni 1965 yilda uchirdi. Biroq, ularni uzoq masofalarga kosmik parvozlarda, boshqa sayyoralarni boshqariladigan tadqiq qilishda yoki doimiy Oy bazasida ishlatish bo'yicha loyihalar ishlab chiqilmoqda. Bu, albatta, gaz bilan sovutilgan yoki suyuq metall yadroviy reaktor bo'ladi, uning jismoniy printsiplari radiator hajmini minimallashtirish uchun zarur bo'lgan eng yuqori haroratni ta'minlaydi. Bundan tashqari, kosmik texnologiyalar uchun reaktor ekranlash uchun ishlatiladigan material miqdorini kamaytirish va uchirish va kosmik parvoz paytida og'irlikni kamaytirish uchun imkon qadar ixcham bo'lishi kerak. Yoqilg'i ta'minoti reaktorning kosmik parvozning butun davri davomida ishlashini ta'minlaydi.

Yadro reaktorlari bitta vazifaga ega: atomlarni boshqariladigan reaktsiyada bo'lish va chiqarilgan energiyadan elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun foydalanish. Ko'p yillar davomida reaktorlar ham mo''jiza, ham tahdid sifatida qaraldi.

1956 yilda Pensilvaniya shtatidagi Shipportportda AQShning birinchi tijoriy reaktori ishga tushirilganda, texnologiya kelajakning energiya manbai sifatida e'tirof etildi va ba'zilar reaktorlar elektr energiyasini ishlab chiqarishni juda arzon qilishiga ishonishdi. Hozirda butun dunyo bo'ylab 442 ta yadro reaktorlari qurilgan bo'lib, ularning to'rtdan bir qismi AQShda joylashgan. Dunyo elektr energiyasining 14 foizini ishlab chiqaradigan yadroviy reaktorlarga qaram bo'lib qoldi. Futuristlar hatto yadroviy mashinalar haqida xayol qilishgan.

1979 yilda Pensilvaniya shtatidagi Three Mile Island elektr stansiyasidagi 2-bo'lim reaktorida sovutish tizimi ishlamay qolganda va uning radioaktiv yoqilg'isi qisman erishi sodir bo'lganda, reaktorlarga nisbatan iliq tuyg'ular tubdan o'zgardi. Vayron bo'lgan reaktor to'xtatilgan va jiddiy radiatsiya chiqmagan bo'lsa ham, ko'pchilik reaktorlarni juda murakkab va zaif, potentsial halokatli oqibatlarga olib kelishi mumkin deb hisoblay boshladi. Odamlarni reaktorlardan chiqadigan radioaktiv chiqindilar ham tashvishga solgan. Natijada AQShda yangi atom elektr stansiyalari qurilishi to‘xtab qoldi. 1986 yilda Sovet Ittifoqidagi Chernobil AESda jiddiyroq avariya sodir bo'lganda, atom energetikasi halokatga uchragandek edi.

Ammo 2000-yillarning boshlarida energiyaga bo‘lgan talab ortib borayotgani va qazib olinadigan yoqilg‘i zaxiralarining kamayishi, shuningdek, karbonat angidrid chiqindilari natijasida iqlim o‘zgarishiga oid xavotirlarning kuchayishi tufayli yadroviy reaktorlar qayta tiklana boshladi.

Ammo 2011 yil mart oyida yana bir inqiroz yuz berdi - bu safar Yaponiyadagi Fukusima 1 atom elektr stansiyasi zilziladan jiddiy zarar ko'rdi.

Yadro reaktsiyasidan foydalanish

Oddiy qilib aytganda, yadroviy reaktor atomlarni parchalaydi va ularning qismlarini ushlab turadigan energiyani chiqaradi.

Agar siz o'rta maktab fizikasini unutgan bo'lsangiz, biz sizga buni qanday qilishni eslatamiz yadro parchalanishi ishlaydi. Atomlar kichik quyosh tizimlariga o'xshaydi, yadrosi Quyoshga o'xshaydi va elektronlar uning atrofida orbitada bo'lgan sayyoralarga o'xshaydi. Yadro proton va neytron deb ataladigan zarralardan iborat bo'lib, ular bir-biriga bog'langan. Yadro elementlarini bog'laydigan kuchni hatto tasavvur qilish qiyin. U tortishish kuchidan milliardlab marta kuchliroqdir. Ushbu ulkan kuchga qaramay, yadroni bo'lish mumkin - unga neytronlarni otish orqali. Bu amalga oshirilganda, juda ko'p energiya chiqariladi. Atomlar parchalanganda, ularning zarralari yaqin atrofdagi atomlarga urilib, ularni bo'linadi va ular o'z navbatida keyingi, keyingi va keyingi bo'ladi. deb atalmish bor zanjir reaktsiyasi.

Katta atomlarga ega bo'lgan uran bo'linish jarayoni uchun idealdir, chunki uning yadrosi zarralarini bog'laydigan kuch boshqa elementlarga nisbatan nisbatan zaifdir. Yadro reaktorlari maxsus izotopdan foydalanadi Uyugurdi -235 . Uran-235 tabiatda kam uchraydi, uran konlaridan olingan ruda bor-yo'g'i 0,7% Uran-235 ni tashkil qiladi. Shuning uchun reaktorlardan foydalaniladi boyitilganUyaralar Uran-235 ni gaz diffuziya jarayoni orqali ajratish va konsentratsiyalash orqali hosil bo'ladi.

Ikkinchi jahon urushi paytida Yaponiyaning Xirosima va Nagasaki shaharlariga tashlanganiga o'xshash atom bombasida zanjirli reaktsiya jarayoni yaratilishi mumkin. Ammo yadroviy reaktorda zanjir reaktsiyasi neytronlarning bir qismini o'zlashtiradigan kadmiy, gafniy yoki bor kabi materiallardan tayyorlangan nazorat tayoqchalarini kiritish orqali boshqariladi. Bu hali ham parchalanish jarayoniga suvni taxminan 270 daraja Selsiyga qizdirish va uni elektr stantsiyasining turbinalarini aylantirish va elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan bug'ga aylantirish uchun etarli energiya ajratish imkonini beradi. Asosan, bu holda, elektr energiyasini yaratish uchun ko'mir o'rniga boshqariladigan yadroviy bomba ishlaydi, faqat suvni qaynatish uchun energiya uglerodni yoqish o'rniga atomlarning bo'linishidan kelib chiqadi.

Yadro reaktorining tarkibiy qismlari

Yadro reaktorlarining bir nechta turlari mavjud, ammo ularning barchasi umumiy xususiyatlarga ega. Ularning barchasida yonilg'i tayoqchalarini hosil qilish uchun quvurlar ichida joylashgan radioaktiv yoqilg'i granulalari - odatda uran oksidi mavjud. faol zonalarereaktor.

Reaktorda yuqorida aytib o'tilganlar ham mavjud menejerlaretayoqVa- reaktsiyani boshqarish yoki to'xtatish uchun kiritilgan kadmiy, gafniy yoki bor kabi neytronni yutuvchi materialdan tayyorlangan.

Reaktorda ham bor moderator, neytronlarni sekinlashtiradigan va bo'linish jarayonini boshqarishga yordam beradigan modda. Qo'shma Shtatlardagi aksariyat reaktorlar oddiy suvdan foydalanadi, ammo boshqa mamlakatlardagi reaktorlar ba'zan grafit yoki og'irVoy-buysuvda, bunda vodorod deyteriy bilan almashtiriladi, bir proton va bir neytron bilan vodorodning izotopi. Tizimning yana bir muhim qismi sovutishohsuyuqlikb, odatda oddiy suv, u turbinani aylantirish uchun bug 'hosil qilish uchun reaktordan issiqlikni yutadi va uzatadi va uran eriydigan haroratga (taxminan 3815 daraja Selsiy) etib bormasligi uchun reaktor maydonini sovutadi.

Nihoyat, reaktor o'ralgan chig'anoqlarda, katta, og‘ir, odatda bir necha metr qalinlikdagi, temir va betondan yasalgan, radioaktiv gazlar va suyuqliklarni hech kimga zarar etkaza olmaydigan joyda saqlaydigan inshoot.

Amaldagi turli xil reaktor konstruktsiyalari mavjud, ammo eng keng tarqalganlaridan biri bosimli suv quvvati reaktori (VVER). Bunday reaktorda suv yadro bilan aloqa qilishga majbur bo'ladi va keyin bug'ga aylana olmaydigan bosim ostida qoladi. Keyin bu suv bug 'generatoridagi bosimsiz suv bilan aloqa qiladi, u bug'ga aylanadi, bu esa turbinalarni aylantiradi. Dizayn ham mavjud yuqori quvvatli kanal tipidagi reaktor (RBMK) bitta suv aylanishi bilan va tez neytron reaktori ikkita natriy va bitta suv aylanishi bilan.

Yadro reaktori qanchalik xavfsiz?

Bu savolga javob berish juda qiyin va siz kimdan so'raganingizga va "xavfsiz" ni qanday belgilashingizga bog'liq. Reaktorlarda hosil bo'ladigan radiatsiya yoki radioaktiv chiqindilar sizni xavotirga solmoqdami? Yoki halokatli voqea sodir bo'lishidan ko'proq tashvishlanasizmi? Yadro energetikasining foydalari uchun qanday xavf darajasi maqbul deb hisoblaysiz? Hukumat va atom energetikasiga qay darajada ishonasiz?

"Radiatsiya" kuchli dalildir, chunki biz hammamiz bilamizki, yadroviy bomba kabi nurlanishning katta dozalari minglab odamlarni o'ldirishi mumkin.

Atom energetikasi tarafdorlari esa, biz hammamiz muntazam ravishda turli manbalardan, jumladan, kosmik nurlar va Yer tomonidan chiqariladigan tabiiy nurlanishdan kelib chiqadigan nurlanish ta'siriga duchor bo'lishimizni ta'kidlaydilar. O'rtacha yillik nurlanish dozasi taxminan 6,2 millizievert (mSv) ni tashkil qiladi, uning yarmi tabiiy manbalardan, yarmi esa sun'iy manbalardan, ko'krak qafasi rentgenogrammalari, tutun detektorlari va yorug'lik soatlari diapazonlarigacha. Yadro reaktorlaridan qancha radiatsiya olamiz? Odatdagi yillik ekspozitsiyamizning faqat kichik bir qismi 0,0001 mSv ni tashkil qiladi.

Barcha yadroviy stansiyalar muqarrar ravishda oz miqdorda radiatsiya oqib chiqsa-da, tartibga solish komissiyalari zavod operatorlariga qattiq talablar qo'yadi. Ular zavod atrofida yashovchi odamlarni yiliga 1 mSv dan ortiq nurlanishga ta'sir qila olmaydi va zavod ishchilari yiliga 50 mSv ga teng. Bu juda ko'p bo'lib tuyulishi mumkin, ammo Yadroviy tartibga solish komissiyasi ma'lumotlariga ko'ra, 100 mSv dan past yillik nurlanish dozalari inson salomatligi uchun har qanday xavf tug'dirishi haqida hech qanday tibbiy dalil yo'q.

Ammo shuni ta'kidlash kerakki, hamma ham radiatsiyaviy xavf-xatarni bunday xotirjam baholashga rozi emas. Masalan, “Ijtimoiy mas’uliyat uchun shifokorlar” atom sanoatining uzoq vaqtdan beri tanqidchisi bo‘lib, Germaniya atom elektr stansiyalari atrofida yashovchi bolalarni o‘rgangan. Tadqiqot shuni ko'rsatdiki, o'simliklardan 5 km uzoqlikda yashaydigan odamlarda leykemiya bilan kasallanish xavfi atom elektr stantsiyalaridan uzoqda yashaydiganlarga qaraganda ikki baravar ko'p.

Yadro reaktorlari chiqindilari

Yadro energetikasi uning tarafdorlari tomonidan "toza" energiya sifatida e'tirof etiladi, chunki reaktor ko'mirda ishlaydigan elektr stantsiyalarga qaraganda atmosferaga ko'p miqdorda issiqxona gazlarini chiqarmaydi. Ammo tanqidchilar yana bir ekologik muammoga e'tibor berishadi: yadroviy chiqindilarni utilizatsiya qilish. Reaktorlardan foydalanilgan yoqilg'ining bir qismi hali ham radioaktivlikni chiqaradi. Saqlanishi kerak bo'lgan boshqa keraksiz materiallar yuqori darajadagi radioaktiv chiqindilar, ishlatilgan yoqilg'ini qayta ishlashdan suyuq qoldiq, unda uranning bir qismi qoladi. Hozirda bu chiqindilarning katta qismi mahalliy atom elektr stansiyalarida suv havzalarida saqlanadi, ular ishlatilgan yoqilg'i tomonidan ishlab chiqarilgan qolgan issiqlikning bir qismini o'zlashtiradi va ishchilarni radiatsiya ta'siridan himoya qiladi.

Ishlatilgan yadro yoqilg'isi bilan bog'liq muammolardan biri shundaki, u bo'linish jarayoni natijasida o'zgargan. Katta uran atomlari bo'linganda ular yon mahsulotlarni hosil qiladi - Seziy-137 va Stronsiy-90 kabi bir nechta yorug'lik elementlarining radioaktiv izotoplari. parchalanish mahsulotlari. Ular issiq va yuqori radioaktivdir, lekin oxir-oqibat, 30 yil davomida ular kamroq xavfli shakllarga aylanadi. Bu davr ular uchun chaqiriladi ndavrohmyarim yemirilish davri. Boshqa radioaktiv elementlarning yarim yemirilish davri har xil bo'ladi. Bundan tashqari, ba'zi uran atomlari ham neytronlarni ushlab, plutoniy kabi og'irroq elementlarni hosil qiladi. Ushbu transuran elementlari bo'linish mahsulotlari kabi juda ko'p issiqlik yoki penetratsion nurlanish hosil qilmaydi, lekin ularning parchalanishi ancha uzoq davom etadi. Masalan, plutoniy-239 ning yarim yemirilish davri 24 000 yil.

Bular radioaktivechiqindilars yuqori daraja Reaktorlar odamlar va boshqa hayot shakllari uchun xavflidir, chunki ular qisqa ta'sir qilishda ham katta, halokatli nurlanish dozalarini chiqarishi mumkin. Masalan, reaktordan qolgan yoqilg'ini olib tashlaganidan keyin o'n yil o'tgach, ular soatiga odamni o'ldirish uchun kerak bo'lgandan 200 baravar ko'proq radioaktivlik chiqaradilar. Va agar chiqindilar er osti suvlari yoki daryolarga tushsa, u oziq-ovqat zanjiriga kirib, ko'p sonli odamlarni xavf ostiga qo'yishi mumkin.

Chiqindilar juda xavfli bo'lgani uchun ko'pchilik qiyin ahvolda. 60 ming tonna chiqindi yirik shaharlarga yaqin joylashgan atom elektr stansiyalarida joylashgan. Ammo chiqindilarni saqlash uchun xavfsiz joy topish oson emas.

Yadro reaktorida nima noto'g'ri bo'lishi mumkin?

Hukumat regulyatorlari o'z tajribasiga nazar tashlab, muhandislar yillar davomida optimal xavfsizlik uchun reaktorlarni loyihalash uchun ko'p vaqt sarfladilar. Faqat ular buzilmaydi, to'g'ri ishlamaydi va agar biror narsa rejalashtirilganidek ketmasa, zaxira xavfsizlik choralariga ega. Natijada, atom stansiyalari yildan-yilga, masalan, dunyo bo'ylab yiliga 500 dan 1100 gacha odamni o'ldiradigan havo qatnoviga qaraganda ancha xavfsiz bo'lib ko'rinadi.

Biroq, yadroviy reaktorlar katta buzilishlarga duchor bo'ladi. Reaktor avariyalarini 1 dan 7 gacha baholaydigan xalqaro yadroviy hodisalar shkalasida 1957 yildan beri beshta avariya sodir bo'lgan, bu ko'rsatkich 5 dan 7 gacha.

Eng yomon tush - sovutish tizimining ishlamay qolishi, bu yoqilg'ining haddan tashqari qizib ketishiga olib keladi. Yoqilg'i suyuqlikka aylanadi va keyin saqlovchi orqali yonib, radioaktiv nurlanishni chiqaradi. 1979 yilda Three Mile Island (AQSh) atom elektr stansiyasining 2-bo'limi ushbu stsenariy yoqasida edi. Yaxshiyamki, yaxshi ishlab chiqilgan himoya tizimi radiatsiya chiqib ketishini to'xtatish uchun etarlicha kuchli edi.

SSSR kamroq omadli edi. 1986 yil aprel oyida Chernobil AESning 4-energetika blokida jiddiy yadroviy avariya yuz berdi. Bunga tizimdagi nosozliklar, dizayndagi kamchiliklar va kam o'qitilgan xodimlarning kombinatsiyasi sabab bo'ldi. Muntazam sinov vaqtida reaktsiya birdan kuchayib ketdi va boshqaruv rodlari tiqilib qoldi, bu esa favqulodda o'chirishni oldini oldi. To'satdan bug'ning to'planishi ikkita termal portlashni keltirib chiqardi va reaktorning grafit moderatorini havoga tashladi. Reaktor yonilg'i tayoqchalarini sovutish uchun hech narsa yo'q bo'lganda, ular haddan tashqari qizib keta boshladilar va butunlay qulab tushdi, buning natijasida yoqilg'i suyuq shaklga kirdi. Ko'plab stansiya ishchilari va avariyalarni bartaraf etuvchilar halok bo'ldi. Katta miqdordagi radiatsiya 323 749 kvadrat kilometr maydonga tarqaldi. Radiatsiyadan kelib chiqqan o'limlar soni hali ham noma'lum, ammo Jahon sog'liqni saqlash tashkiloti saraton kasalligidan 9000 kishining o'limiga sabab bo'lishi mumkinligini aytadi.

Yadro reaktorlari ishlab chiqaruvchilari asosida kafolatlar beradi ehtimollik baholashe, bunda ular hodisaning potentsial zararini uning haqiqatda sodir bo'lish ehtimoli bilan muvozanatlashga harakat qilishadi. Ammo ba'zi tanqidchilar buning o'rniga ular kamdan-kam, kutilmagan, ammo juda xavfli voqealarga tayyorlanishlari kerakligini aytishadi. Bunga 2011-yilning mart oyida Yaponiyadagi Fukusima 1 atom elektr stansiyasida yuz bergan avariya misol bo‘la oladi. Maʼlumotlarga koʻra, stansiya kuchli zilzilaga bardosh berishga moʻljallangan, biroq 5,4 metrlik toʻlqinga bardosh berishga moʻljallangan dambalar ustida 14 metrlik tsunami toʻlqinini yuborgan 9.0 magnitudali zilzila kabi halokatli emas. Tsunamining hujumi elektr quvvati uzilib qolganda stansiyaning oltita reaktorining sovutish tizimini quvvatlantirish uchun mo'ljallangan zaxira dizel generatorlarini vayron qildi. vayron bo'lgan reaktorlar ichida xavfli ko'tarilish.

Yaponiya rasmiylari oxirgi choraga murojaat qilishdi - reaktorlarni katta miqdordagi dengiz suvi bilan borik kislotasi qo'shilishi bilan to'ldirish, bu falokatning oldini olishga muvaffaq bo'ldi, ammo reaktor uskunasini vayron qildi. Oxir-oqibat, o't o'chirish mashinalari va barjalar yordamida yaponlar reaktorlarga chuchuk suv quyishga muvaffaq bo'lishdi. Ammo o'sha paytga kelib, monitoring atrofdagi quruqlik va suvda radiatsiyaning dahshatli darajasini ko'rsatdi. Atom elektr stantsiyasidan 40 km uzoqlikda joylashgan qishloqlardan birida Tseziy-137 radioaktiv elementi Chernobil fojiasidan keyin ancha yuqori darajada topilgani bu hududda odamlarning yashashi mumkinligi haqida shubha uyg'otdi.

Oddiy odam uchun zamonaviy yuqori texnologiyali qurilmalar shu qadar sirli va jumboqliki, ularni qadimgi odamlar chaqmoqqa sig'inishlari kabi sig'inish mumkin. Matematik hisob-kitoblar bilan to'ldirilgan maktab fizikasi darslari muammoni hal qilmaydi. Ammo siz hatto yadroviy reaktor haqida qiziqarli voqeani aytib berishingiz mumkin, uning ishlash printsipi hatto o'smirga ham tushunarli.

Yadro reaktori qanday ishlaydi?

Ushbu yuqori texnologiyali qurilmaning ishlash printsipi quyidagicha:

1. Neytron so'rilganda, yadro yoqilg'isi (ko'pincha bu uran-235 yoki plutoniy-239) atom yadrosining bo'linishi sodir bo'ladi;
2. Kinetik energiya, gamma-nurlanish va erkin neytronlar ajralib chiqadi;
3. Kinetik energiya issiqlik energiyasiga aylanadi (yadrolar atrofdagi atomlar bilan to'qnashganda), gamma nurlanish reaktorning o'zi tomonidan so'riladi va shuningdek issiqlikka aylanadi;
4. Ishlab chiqarilgan neytronlarning bir qismi yoqilg'i atomlari tomonidan so'riladi, bu esa zanjir reaktsiyasini keltirib chiqaradi. Uni boshqarish uchun neytron absorberlar va moderatorlar qo'llaniladi;
5. Sovutish suyuqligi (suv, gaz yoki suyuq natriy) yordamida reaktsiya joyidan issiqlik chiqariladi;
6. Bug 'turbinalarini haydash uchun qizdirilgan suvdan bosimli bug' ishlatiladi;
7. Generator yordamida turbinaning aylanish mexanik energiyasi o'zgaruvchan elektr tokiga aylanadi.

Klassifikatsiyaga yondashuvlar

Reaktorlarning tipologiyasining sabablari ko'p bo'lishi mumkin:

• Yadro reaktsiyasining turi bo'yicha. Bo'linish (barcha tijorat inshootlari) yoki termoyadroviy (termoyadro energiyasi, faqat ba'zi ilmiy-tadqiqot institutlarida keng tarqalgan);
• Sovutgich bilan. Aksariyat hollarda bu maqsadda suv (qaynoq yoki og'ir) ishlatiladi. Ba'zida muqobil eritmalar qo'llaniladi: suyuq metall (natriy, qo'rg'oshin-vismut, simob), gaz (geliy, karbonat angidrid yoki azot), erigan tuz (ftorid tuzlari);
• Avlod bo'yicha. Birinchisi, hech qanday tijorat ma'nosiga ega bo'lmagan dastlabki prototiplar edi. Ikkinchidan, hozirda foydalanilayotgan atom elektr stansiyalarining aksariyati 1996 yilgacha qurilgan. Uchinchi avlod avvalgisidan faqat kichik yaxshilanishlarda farq qiladi. To'rtinchi avlod ustida ish hali ham davom etmoqda;
• Agregat holati bo'yicha yoqilg'i (gaz yoqilg'isi hali ham faqat qog'ozda mavjud);
• Foydalanish maqsadi bo'yicha(elektr energiyasini ishlab chiqarish, dvigatelni ishga tushirish, vodorod ishlab chiqarish, tuzsizlantirish, elementar transmutatsiya, neyron nurlanishni olish, nazariy va tergov maqsadlarida).

Yadro reaktorining dizayni

Ko'pgina elektr stantsiyalaridagi reaktorlarning asosiy komponentlari:

1. Yadro yoqilg'isi - quvvat turbinalari uchun issiqlik ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan modda (odatda past boyitilgan uran);
2. Yadro reaktorining yadrosi yadro reaktsiyasi sodir bo'ladigan joy;
3. Neytron moderatori - tez neytronlarning tezligini pasaytiradi, ularni termal neytronlarga aylantiradi;
4. Boshlang'ich neytron manbai - yadro reaktsiyasini ishonchli va barqaror boshlash uchun ishlatiladi;
5. Neytron absorber - yangi yoqilg'ining yuqori reaktivligini kamaytirish uchun ba'zi elektr stantsiyalarida mavjud;
6. Neytron Howitzer - yopilgandan keyin reaktsiyani qayta boshlash uchun ishlatiladi;
7. sovutish suvi (tozalangan suv);
8. Boshqaruv tayoqchalari - uran yoki plutoniy yadrolarining bo'linish tezligini tartibga solish uchun;
9. Suv nasosi - bug 'qozoniga suv quyadi;
10. Bug 'turbinasi - bug'ning issiqlik energiyasini aylanma mexanik energiyaga aylantiradi;
11. Sovutish minorasi - atmosferaga ortiqcha issiqlikni olib tashlash uchun qurilma;
12. Radioaktiv chiqindilarni qabul qilish va saqlash tizimi;
13. Xavfsizlik tizimlari (favqulodda dizel generatorlari, favqulodda yadro sovutish moslamalari).

Eng so'nggi modellar qanday ishlaydi

Reaktorlarning so'nggi 4-avlodi tijorat maqsadlarida foydalanish uchun mavjud bo'ladi 2030 yildan oldin emas. Hozirgi vaqtda ularning ishlash printsipi va tuzilishi rivojlanish bosqichida. Zamonaviy ma'lumotlarga ko'ra, ushbu modifikatsiyalar mavjud modellardan farq qiladi afzalliklari:

• Tez gazni sovutish tizimi. Sovutgich sifatida geliy ishlatiladi, deb taxmin qilinadi. Dizayn hujjatlariga ko'ra, 850 ° S haroratli reaktorlarni shu tarzda sovutish mumkin. Bunday yuqori haroratlarda ishlash uchun maxsus xom ashyo kerak bo'ladi: kompozit keramik materiallar va aktinid birikmalari;
• Asosiy sovutish suvi sifatida qo'rg'oshin yoki qo'rg'oshin-vismut qotishmasidan foydalanish mumkin. Ushbu materiallar past neytron yutilish darajasi va nisbatan past erish nuqtasiga ega;
• Asosiy sovutish suvi sifatida eritilgan tuzlar aralashmasi ham ishlatilishi mumkin. Bu zamonaviy suv bilan sovutilgan hamkasblarga qaraganda yuqori haroratlarda ishlashga imkon beradi.

Tabiatdagi tabiiy analoglar

Yadro reaktori jamoatchilik ongida faqat yuqori texnologiya mahsuloti sifatida qabul qilinadi. Biroq, aslida, birinchi bunday qurilma tabiiy kelib chiqishi. U Markaziy Afrikadagi Gabon davlatining Oklo hududida topilgan:

• Reaktor uran tog' jinslarini yer osti suvlari bilan to'ldirishi natijasida hosil bo'lgan. Ular neytron moderatorlari vazifasini bajargan;
• Uranning parchalanishi paytida ajralib chiqadigan issiqlik energiyasi suvni bug'ga aylantiradi va zanjir reaktsiyasi to'xtaydi;
• Sovutish suvi harorati tushgandan keyin hamma narsa yana takrorlanadi;
• Agar suyuqlik qaynab ketmasa va reaktsiyani to'xtatmasa, insoniyat yangi tabiiy ofatga duch kelgan bo'lar edi;
• O'z-o'zidan ta'minlangan yadroviy bo'linish taxminan bir yarim milliard yil oldin ushbu reaktorda boshlangan. Shu vaqt ichida taxminan 0,1 million vatt quvvat ishlab chiqarildi;
• Dunyoning bunday mo''jizasi Yerdagi yagona narsadir. Yangilarining paydo bo'lishi mumkin emas: tabiiy xom ashyo tarkibidagi uran-235 ning ulushi zanjirli reaktsiyani saqlab qolish uchun zarur bo'lgan darajadan ancha past.

Janubiy Koreyada nechta yadro reaktorlari mavjud?

Tabiiy resurslar jihatidan kambag'al, ammo sanoati rivojlangan va aholisi ko'p bo'lgan Koreya Respublikasi energiyaga favqulodda ehtiyoj sezadi. Germaniyaning tinch atomdan foydalanishni rad etishi fonida, bu mamlakat yadroviy texnologiyani cheklashga katta umid qilmoqda:

• 2035 yilga borib atom elektr stansiyalarida ishlab chiqariladigan elektr energiyasi ulushi 60 foizga yetishi, umumiy ishlab chiqarish hajmi esa 40 gigavattdan oshishi rejalashtirilgan;
• Mamlakat atom quroliga ega emas, ammo yadro fizikasi bo'yicha tadqiqotlar davom etmoqda. Koreyalik olimlar zamonaviy reaktorlar uchun dizaynlarni ishlab chiqdilar: modulli, vodorodli, suyuq metallli va boshqalar;
• Mahalliy tadqiqotchilarning muvaffaqiyatlari texnologiyalarni xorijda sotish imkonini beradi. Kelgusi 15-20 yil ichida mamlakat 80 ta ana shunday donani eksport qilishi kutilmoqda;
• Ammo bugungi kunga kelib, aksariyat atom elektr stansiyalari amerikalik yoki frantsuz olimlari yordamida qurilgan;
• Operatsion stantsiyalar soni nisbatan kichik (faqat to'rtta), lekin ularning har birida sezilarli miqdordagi reaktorlar mavjud - jami 40 ta va bu ko'rsatkich o'sadi.

Neytronlar tomonidan bombardimon qilinganda, yadro yoqilg'isi zanjirli reaktsiyaga kiradi, natijada juda katta issiqlik paydo bo'ladi. Tizimdagi suv bu issiqlikni oladi va bug'ga aylanadi, bu esa elektr energiyasini ishlab chiqaradigan turbinalarni aylantiradi. Bu erda Yerdagi eng kuchli energiya manbai bo'lgan yadroviy reaktorning ishlashining oddiy diagrammasi keltirilgan.

Video: yadro reaktorlari qanday ishlaydi

Ushbu videoda yadro fizigi Vladimir Chaykin sizga yadro reaktorlarida elektr energiyasi qanday ishlab chiqarilishi va ularning batafsil tuzilishini aytib beradi:

Birinchi yadro reaktori 1942 yil dekabrda AQShda E. Fermi . Evropada birinchi yadro reaktori 1946 yil dekabrda Moskvada I.V. Kurchatova . 1978 yilga kelib dunyoda mingga yaqin har xil turdagi yadro reaktorlari ishlamoqda. Har qanday yadroviy reaktorning tarkibiy qismlari quyidagilardan iborat: yadro Bilan yadro yoqilg'isi, odatda neytron reflektor bilan o'ralgan, sovutish suvi, zanjir reaktsiyasini boshqarish tizimi, radiatsiyadan himoya qilish, masofadan boshqarish tizimi ( guruch. 1). Yadro reaktorining asosiy xususiyati uning quvvatidir. 1 da quvvat Mv 3 10 16 ta 1 ga bo'linish akti sodir bo'ladigan zanjirli reaksiyaga to'g'ri keladi sek.
Quvvatli yadro reaktorlarini loyihalash.

Yadro energetika reaktori - bu og'ir elementlarning yadrolarining bo'linishining boshqariladigan zanjirli reaktsiyasi amalga oshiriladigan va bu jarayon davomida chiqarilgan issiqlik energiyasi sovutish suvi tomonidan chiqariladigan qurilma. Yadro reaktorining asosiy elementi yadro hisoblanadi. U yadro yoqilg'isini o'z ichiga oladi va bo'linish zanjiri reaktsiyasini amalga oshiradi. Yadro - bu ma'lum bir tarzda joylashtirilgan yadro yoqilg'isini o'z ichiga olgan yoqilg'i elementlari to'plami. Termal neytron reaktorlari moderatordan foydalanadi. Yoqilg'i elementlarini sovutish uchun sovutish suvi yadro orqali pompalanadi. Ba'zi turdagi reaktorlarda moderator va sovutish suvi rolini bir xil modda, masalan, oddiy yoki og'ir suv bajaradi.

Bir jinsli reaktor diagrammasi: 1-reaktor korpusi, 2-yadroli, 3-hajmli kompensator, 4-issiqlik almashtirgich, 5-bugʻ chiqishi, 6-oziq suv kirishi, 7-sirkulyatsiya pompasi

Reaktorning ishlashini nazorat qilish uchun yadroga neytronni yutish kesimi katta bo'lgan materiallardan tayyorlangan boshqaruv novdalari kiritiladi. Quvvat reaktorlarining yadrosi neytron reflektori bilan o'ralgan - yadrodan neytronlarning oqib chiqishini kamaytirish uchun moderator materiali qatlami. Bundan tashqari, reflektor tufayli neytron zichligi va energiya chiqishi yadro hajmi bo'ylab tenglashtiriladi, bu ma'lum bir zona o'lchami uchun ko'proq quvvat olish, yoqilg'ining bir xilda yonishini ta'minlash, reaktorning ishlash vaqtini oshirish imkonini beradi. yoqilg'ini ortiqcha yuklamasdan va issiqlikni olib tashlash tizimini soddalashtiring. Reflektor sekinlashtiruvchi va so'rilgan neytronlar va gamma kvantlarning energiyasi tufayli isitiladi, shuning uchun uning sovishi ta'minlanadi. Yadro, reflektor va boshqa elementlar, odatda, biologik himoya bilan o'ralgan, muhrlangan korpus yoki korpusda joylashgan.

Yadro reaktorining yadrosida yadro yoqilg'isi mavjud bo'lib, yadroviy bo'linishning zanjirli reaktsiyasi sodir bo'ladi va energiya chiqariladi. Davlat yadro reaktori samarali koeffitsient bilan tavsiflanadi Kef neytronlarning ko'payishi yoki reaktivligi r:

R = (K ¥ - 1)/K eff. (1)

Agar K ef > 1, keyin zanjir reaktsiyasi vaqt o'tishi bilan kuchayadi, yadro reaktori o'ta kritik holatda va uning reaktivligi r > 0; Agar K eff< 1 , keyin reaksiya o'ladi, reaktor subkritik, r< 0; при TO ¥ = 1, r = 0, reaktor kritik holatda, statsionar jarayon davom etmoqda va vaqt o'tishi bilan bo'linishlar soni doimiy. Yadro reaktorini ishga tushirishda zanjirli reaktsiyani boshlash uchun odatda yadroga neytron manbai (Ra va Be aralashmasi, 252 Cf va boshqalar) kiritiladi, garchi bu shart emas, chunki uran yadrolarining o'z-o'zidan bo'linishi va kosmik nurlar da zanjirli reaksiya rivojlanishi uchun etarli miqdordagi boshlang'ich neytronlarni ta'minlash K ef > 1.

235 U ko'pgina yadroviy reaktorlarda parchalanuvchi modda sifatida ishlatiladi, agar yadro yadro yoqilg'isidan tashqari (tabiiy yoki boyitilgan uran) neytron moderatorini (grafit, suv va engil yadrolarni o'z ichiga olgan boshqa moddalar, qarang.) Neytron moderatsiyasi), keyin bo'linishlarning asosiy qismi ta'sir ostida sodir bo'ladi termal neytronlar (termal reaktor). Termal neytronlardan foydalanadigan yadroviy reaktor 235 U bilan boyitilmagan tabiiy urandan foydalanishi mumkin (bunday birinchi yadro reaktorlari edi). Agar yadroda moderator bo'lmasa, bo'linishlarning asosiy qismi energiya x n > 10 bo'lgan tez neytronlar tomonidan sodir bo'ladi. kev (tez reaktor). 1-1000 energiyali oraliq neytron reaktorlari ham mumkin ev.

Yadro reaktorining kritiklik sharti quyidagi shaklga ega:

Keff = K ¥ × P = 1 , (1)

Bu erda 1 - P - yadro reaktorining yadrosidan neytronlarning chiqib ketishi (oqish) ehtimoli, TO ¥ - Cheksiz katta yadrodagi neytronlarni ko'paytirish koeffitsienti, termal yadro reaktori uchun "to'rt faktorli formula" deb ataladigan bo'yicha aniqlanadi:

TO¥ = neju. (2)

Bu erda n - termal neytronlar tomonidan 235 U yadroning bo'linishi paytida hosil bo'lgan ikkilamchi (tezkor) neytronlarning o'rtacha soni, e - tez neytronlarga ko'payish omili (yadrolarning bo'linishi tufayli neytronlar sonining ko'payishi, asosan 238 ta) U yadrolari, tez neytronlar bilan); j - sekinlashuv jarayonida neytronning 238 U yadro tomonidan tutib olinmaslik ehtimoli, u - termal neytronning bo'linish ehtimoli. Ko'pincha h = n/(l + a) qiymati qo'llaniladi, bu erda a - nurlanishni ushlab turish kesimining s p bo'linish kesimiga nisbati s d.

Shart (1) Yadro reaktorining o'lchamlarini aniqlaydi Masalan, tabiiy uran va grafitdan yasalgan yadroviy reaktor uchun n. = 2.4. e » 1.03, eju » 0.44, qaerdan TO¥ =1,08. Bu shuni anglatadiki, uchun TO ¥ > 1 ta zarur P<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 m. Zamonaviy energiya yadro reaktorining hajmi yuzlablarga etadi m 3 va asosan kritiklik sharoitlari bilan emas, balki issiqlikni yo'qotish qobiliyati bilan belgilanadi. Kritik holatdagi yadro reaktorining faol zonasining hajmi yadro reaktorining kritik hajmi, parchalanuvchi materialning massasi esa kritik massa deb ataladi. Suvdagi toza parchalanuvchi izotoplar tuzlari eritmalari ko'rinishidagi yoqilg'i va suv neytron reflektorli yadroviy reaktor eng past kritik massaga ega. 235 U uchun bu massa 0,8 ga teng kg, uchun 239 Pu - 0,5 kg . 251 Cf eng kichik kritik massaga ega (nazariy jihatdan 10 g). Tabiiy uranli grafit yadro reaktorining kritik parametrlari: uran massasi 45 T, grafit hajmi 450 m 3 . Neytron oqishini kamaytirish uchun yadroga sharsimon yoki deyarli sharsimon shakl beriladi, masalan, diametri yoki kub (eng kichik sirt-hajm nisbati) tartibida balandligi bo'lgan silindr.

n ning qiymati 0,3% aniqlik bilan termal neytronlar uchun ma'lum (1-jadval). Neytronning parchalanishga olib kelgan x n energiyasi ortishi bilan n qonunga muvofiq ortadi: n = n t + 0,15x n (x n in Mev), bu erda n t termal neytronlarning bo'linishiga mos keladi.

Jadval 1. - n va h qiymatlari termal neytronlar uchun (1977 yil ma'lumotlariga ko'ra)

Qiymati (e-1) odatda bir necha% ni tashkil qiladi, shunga qaramay, neytronlarning tez ko'payishining roli katta yadroviy reaktorlar uchun (; TO ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

J ning mumkin bo'lgan maksimal qiymatiga faqat bo'linadigan yadrolarni o'z ichiga olgan yadroviy reaktorda erishiladi. Energiyali yadro reaktorlari zaif boyitilgan urandan foydalanadi (konsentratsiyasi 235 U ~ 3-5%) va 238 U yadrolari neytronlarning sezilarli qismini o'zlashtiradi. Shunday qilib, uran izotoplarining tabiiy aralashmasi uchun nJ ning maksimal qiymati = 1.32. Moderator va strukturaviy materiallarda neytronlarning yutilishi odatda yadro yoqilg'isining barcha izotoplarini singdirishning 5-20% dan oshmaydi. Moderatorlardan og'ir suv neytronlarning eng past singishiga ega va strukturaviy materiallar - Al va Zr.

Moderatsiya jarayonida (1-j) neytronlarning 238 U yadrolari tomonidan rezonansli tutilishi ehtimoli heterojen yadro reaktorida sezilarli darajada kamayadi (1 - j) ga yaqin energiyaga ega bo'lgan neytronlar soni rezonans yonilg'i bloki ichida va rezonans yutilishda keskin kamayadi Faqat blokning tashqi qatlami ishtirok etadi. Yadro reaktorining heterojen tuzilishi tabiiy uran yordamida zanjirli jarayonni amalga oshirish imkonini beradi. O ning qiymatini pasaytiradi, lekin reaktivlikdagi bu yo'qotish rezonansning yutilishining pasayishi tufayli daromaddan sezilarli darajada kamroq.

Yadro reaktorining issiqlik xossalarini hisoblash uchun termal neytronlarning spektrini aniqlash kerak. Agar neytronning yutilishi juda zaif bo'lsa va neytron yutilishdan oldin moderator yadrolari bilan ko'p marta to'qnashishga muvaffaq bo'lsa, u holda moderator muhiti va neytron gazi o'rtasida termodinamik muvozanat (neytronning issiqliklanishi) o'rnatiladi va termal neytronlarning spektri tavsiflanadi. Maksvell taqsimoti . Aslida, yadroviy reaktorning yadrosida neytronlarning yutilishi ancha yuqori. Bu Maksvell taqsimotidan chetga chiqishga olib keladi - neytronlarning o'rtacha energiyasi muhit molekulalarining o'rtacha energiyasidan kattaroqdir. Termalizatsiya jarayoniga yadrolarning harakati, atomlarning kimyoviy bog'lari va boshqalar ta'sir qiladi.

Yadro yoqilg'isining yonishi va ko'payishi. Yadro reaktorining ishlashi paytida yoqilg'i tarkibidagi o'zgarishlar undagi parchalanish bo'laklarining to'planishi tufayli sodir bo'ladi (qarang. Yadro bo'linishi) va ta'lim bilan transuranik elementlar, asosan Pu izotoplari. Bo'linish bo'laklarining reaktivlikka ta'siri Yadro reaktori zaharlanish (radioaktiv bo'laklar uchun) va shlaklanish (barqarorlar uchun) deb ataladi. Zaharlanish asosan neytronlarning eng katta yutilish kesimiga ega (2,6 10 6) 135 Xe dan kelib chiqadi. ombor). Yarim yemirilish davri T 1/2 = 9,2 soat, parchalanish rentabelligi 6-7% ni tashkil qiladi. 135 Xe ning asosiy qismi 135 ning parchalanishi natijasida hosil bo'ladi ]( Savdo markazi = 6,8 h). Zaharlanganda Cef 1-3% ga o'zgaradi. Katta yutilish kesimi 135 Xe va oraliq izotop 135 I ning mavjudligi ikkita muhim hodisaga olib keladi: 1) 135 Xe kontsentratsiyasining oshishiga va natijada undan keyin yadro reaktorining reaktivligining pasayishiga olib keladi. to'xtatiladi yoki quvvat kamayadi ("yod chuquri"). Bu tartibga soluvchi organlarda qo'shimcha reaktivlik zahirasiga majbur qiladi yoki qisqa muddatli to'xtashlar va quvvat o'zgarishini imkonsiz qiladi. Yod qudug'ining chuqurligi va davomiyligi F neytron oqimiga bog'liq: F = 5·10 da 13 neytron/sm 2 × sek Yod qudug'ining davomiyligi ~ 30 h, va chuqurlik statsionar o'zgarishdan 2 baravar katta K eff, 135 Xe zaharlanishidan kelib chiqqan. 2) Zaharlanish tufayli F neytron oqimining fazoviy-vaqt tebranishlari va shuning uchun quvvat paydo bo'lishi mumkin yadroviy reaktor Bu tebranishlar F> 13 neytron/sm 2 × sek va katta o'lchamlarda Yadro reaktori Tebranish davrlari ~ 10. h.

Yadro bo'linishi natijasida hosil bo'lgan turli barqaror bo'laklar soni ko'p. Bo'linuvchi izotopning yutilish kesimiga nisbatan katta va kichik yutilish kesimlari bo'lgan parchalar mavjud. Birinchisining kontsentratsiyasi yadroviy reaktor ishlagan birinchi kunlarda to'yinganlikka etadi (asosan 149 Sm, Keff 1% ga o'zgaradi). Ikkinchisining kontsentratsiyasi va ular kiritadigan salbiy reaktivlik vaqt o'tishi bilan chiziqli ravishda ortadi.

Yadro reaktorida transuran elementlarining shakllanishi quyidagi sxemalar bo'yicha sodir bo'ladi:

Bu erda 3 neytron tutilishini bildiradi, o'q ostidagi raqam yarim yemirilish davri.

Yadro reaktorini ishga tushirishning boshida 239 Pu (yadro yoqilg'isi) to'planishi vaqt o'tishi bilan chiziqli ravishda sodir bo'ladi va qanchalik tez (235 U qattiq yonish bilan) uranni boyitish shunchalik past bo'ladi. Keyin 239 Pu kontsentratsiyasi doimiy qiymatga intiladi, bu boyitish darajasiga bog'liq emas, lekin 238 U va 239 Pu neytronlarni tutib olish kesimlarining nisbati bilan belgilanadi. . Muvozanat kontsentratsiyasini o'rnatish uchun xarakterli vaqt 239 Pu ~ 3/ F yil (F 10 13 neytron birliklarida/ sm 2× sek). 240 Pu va 241 Pu izotoplari muvozanat konsentratsiyasiga faqat yadro yoqilg'isi reaktorida yoqilg'i qayta yoqilgandan so'ng erishadi.

Yadro yoqilg'isining yonishi yadro reaktoriga 1 ga tushadigan umumiy energiya bilan tavsiflanadi T yoqilg'i. Tabiiy uranda ishlaydigan yadroviy reaktor uchun maksimal yonish ~10 ni tashkil qiladi GW × kun/t(og'ir suvli yadro reaktori). B zaif boyitilgan uranli yadro reaktori (2-3%) 235 U) charchash ~ 20-30 ga erishiladi GVt-kun/t. Tez neytronli yadro reaktorida - 100 gacha GVt-kun/t. Kuchlanish 1 GVt-kun/t 0,1% yadro yoqilg'isining yonishiga to'g'ri keladi.

Yadro yoqilg'isi yonib ketganda, yadroviy reaktorning reaktivligi pasayadi (tabiiy urandan foydalanadigan yadro reaktorida, kichik yonishlarda, reaktivlikning biroz oshishi kuzatiladi). Kuygan yoqilg'ini almashtirish darhol butun yadrodan yoki asta-sekin yonilg'i tayoqlari bo'ylab amalga oshirilishi mumkin, shunda yadro barcha yoshdagi yonilg'i tayoqlarini o'z ichiga oladi - doimiy ortiqcha yuk rejimi (oraliq variantlar mumkin). Birinchi holda, yangi yoqilg'iga ega yadroviy reaktor ortiqcha reaktivlikka ega bo'lib, uni qoplash kerak. Ikkinchi holda, bunday kompensatsiya faqat dastlabki ishga tushirish vaqtida, doimiy ortiqcha yuk rejimiga kirishdan oldin kerak bo'ladi. Doimiy qayta yuklash kuyish chuqurligini oshirishga imkon beradi, chunki yadroviy reaktorning reaktivligi parchalanuvchi nuklidlarning o'rtacha kontsentratsiyasi bilan belgilanadi (bo'linuvchi nuklidlarning minimal konsentratsiyasi bo'lgan yoqilg'i elementlari tushiriladi, 2-jadvalda qayta tiklangan yadro tarkibi ko'rsatilgan). yoqilg'i (in kg) V bosimli suv reaktori kuch 3 Gvt. Yadro reaktori 3 marta ishlagandan so'ng butun yadro bir vaqtning o'zida tushiriladi yillar va "parchalar" 3 yillar(F = 3×10 13 neytron/sm 2 ×sek). Dastlabki tarkibi: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Jadval 2. - Yuklanmagan yoqilg'ining tarkibi, kg