Reaktori töö kirjeldus. Kooli entsüklopeedia. Kaasaegsed tuumareaktorid

Tuumareaktori südamik- kõige kontsentreerituima energialiigi kontsentratsioon praegu kasutatavast - asub 15-sentimeetriste seintega teraskestas. Tuum sisaldab uraan-235 graanulite kujul, mis on laaditud sadadesse roostevabast terasest torudesse, millest igaüks on umbes kolm meetrit pikk.

Uraan-235 aatomid läbivad tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni, mille käigus nad jagunevad tükkideks, vabastades tohutul hulgal energiat. 1 grammi (0,35 untsi) uraan-235 lõhustamisel vabaneb sama palju energiat kui umbes 2000 liitri nafta põlemisel reaktori südamikku läbiv vesi soojendab sekundaarset toitevett, muutes selle auruks, mis suunatakse turbiini labadele. .

Lisaks energia vabastamisele vabastavad lõhustuvad uraan-235 aatomid neutroneid, mis on üks kahest peamisest osakeste tüübist aatomituumas. Need neutronid põrkuvad teiste uraan-235 aatomitega, lõhestades need ja vabastades täiendavad neutronid, mis on vajalikud ahelreaktsiooni säilitamiseks ja seeläbi pikaajalise energiaallika loomiseks. Ahelreaktsiooni kontrollitakse boori- või kaadmiumivardade sisestamisega südamikusse – materjalid, mis neelavad hästi neutroneid.

Ahelreaktsioon uraan-235-s

Neutroniga kokkupõrkel muutub uraan-235 aatom ebastabiilseks ja jaguneb kaheks väiksemaks aatomiks. Seda protsessi nimetatakse tuuma lõhustumiseks. Uraan-235 lõhustamisel vabaneb kaks või kolm neutronit, mis võivad põrkuda teiste uraan-235 aatomitega ja käivitada isemajandav ahelreaktsioon.

Tuumaenergia

Tuuma lõhustumine vabastab reaktori südamikus tohutul hulgal energiat. Kuumast südamikku läbiv vesi soojendab sekundaarset toitevett ja muudab selle auruks, mis seejärel juhitakse turbiini.

Jaapani aatomienergia uurimisinstituudi tuumaelektrijaam.

Tagasi edasi

Tähelepanu! Slaidide eelvaated on ainult informatiivsel eesmärgil ja ei pruugi esindada kõiki esitluse funktsioone. Kui olete sellest tööst huvitatud, laadige alla täisversioon.

Tunni eesmärgid:

• Hariduslik: olemasolevate teadmiste uuendamine; jätkata mõistete kujunemist: uraani tuumade lõhustumine, tuuma ahelreaktsioon, selle toimumise tingimused, kriitiline mass; tutvustada uusi mõisteid: tuumareaktor, tuumareaktori põhielemendid, tuumareaktori ehitus ja tööpõhimõte, tuumareaktsiooni juhtimine, tuumareaktorite klassifikatsioon ja nende kasutamine;
• Hariduslik: jätkuvalt arendada vaatlemise ja järelduste tegemise oskusi, samuti arendada õpilaste intellektuaalseid võimeid ja uudishimu;
• Hariduslik: jätkata suhtumise kujundamist füüsikasse kui eksperimentaalteadusesse; kasvatada kohusetundlikku suhtumist töösse, distsipliini ja positiivset suhtumist teadmistesse.

Tunni tüüp: uue materjali õppimine.

Varustus: multimeediumi paigaldamine.

Tundide ajal

1. Organisatsioonimoment.

Poisid! Tänases tunnis kordame üle uraani tuumade lõhustumise, tuuma ahelreaktsiooni, selle toimumise tingimused, kriitilise massi, saame teada, mis on tuumareaktor, tuumareaktori põhielemendid, tuumareaktori ehitus ja selle tööpõhimõte, tuumareaktsiooni juhtimine, tuumareaktorite klassifikatsioon ja nende kasutamine.

2. Õpitud materjali kontrollimine.

1. Uraani tuumade lõhustumise mehhanism.
2. Rääkige meile tuuma ahelreaktsiooni mehhanismist.
3. Too näide uraani tuuma tuuma lõhustumise reaktsioonist.
4. Mida nimetatakse kriitiliseks massiks?
5. Kuidas toimub ahelreaktsioon uraanis, kui selle mass on kriitilisest väiksem või suurem?
6. Mis on uraan 295 kriitiline mass Kas kriitilist massi on võimalik vähendada?
7. Kuidas saab tuuma ahelreaktsiooni kulgu muuta?
8. Mis on kiirete neutronite aeglustamise eesmärk?
9. Milliseid aineid kasutatakse moderaatoritena?
10. Milliste tegurite mõjul saab suurendada vabade neutronite arvu uraanitükis, tagades sellega reaktsiooni toimumise võimaluse selles?

3. Uue materjali selgitus.

Poisid, vastake sellele küsimusele: mis on tuumaelektrijaama põhiosa? ( tuumareaktor)

Hästi tehtud. Niisiis, poisid, vaatame nüüd seda probleemi üksikasjalikumalt.

Ajalooline viide.

Igor Vassiljevitš Kurtšatov on väljapaistev nõukogude füüsik, akadeemik, Aatomienergia Instituudi asutaja ja esimene direktor aastatel 1943–1960, NSV Liidu aatomiprobleemi peadirektor, üks tuumaenergia rahuotstarbelise kasutamise alusepanijaid. . NSVL Teaduste Akadeemia akadeemik (1943). Esimest Nõukogude aatomipommi katsetati 1949. aastal. Neli aastat hiljem katsetati edukalt maailma esimest vesinikupommi. Ja 1949. aastal alustas Igor Vassiljevitš Kurchatov tööd tuumaelektrijaama projekti kallal. Tuumaelektrijaam on aatomienergia rahumeelse kasutamise kuulutaja. Projekt sai edukalt lõpule viidud: 27. juulil 1954 sai meie tuumajaam maailmas esimeseks! Kurtšatov rõõmustas ja lõbutses nagu laps!

Tuumareaktori määratlus.

Tuumareaktor on seade, milles viiakse läbi ja säilitatakse teatud raskete tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioon.

Esimene tuumareaktor ehitati 1942. aastal USA-s E. Fermi juhtimisel. Meie riigis ehitati esimene reaktor 1946. aastal I. V. Kurtšatovi juhtimisel.

Tuumareaktori peamised elemendid on:

• tuumakütus (uraan 235, uraan 238, plutoonium 239);
• neutronite moderaator (raske vesi, grafiit jne);
• jahutusvedelik reaktori töö käigus tekkiva energia eemaldamiseks (vesi, vedel naatrium jne);
• Juhtvardad (boor, kaadmium) – suure neelamisega neutronid
• Kiirgust tõkestav kaitsekest (raudtäitega betoon).

Tööpõhimõte tuumareaktor

Tuumakütus paikneb südamikus vertikaalsete varraste kujul, mida nimetatakse kütuseelementideks (kütuseelementideks). Kütusevardad on mõeldud reaktori võimsuse reguleerimiseks.

Iga kütusevarda mass on kriitilisest massist oluliselt väiksem, seega ei saa ühes varras tekkida ahelreaktsiooni. See algab pärast seda, kui kõik uraanivardad on südamikusse sukeldatud.

Südamikku ümbritseb neutroneid peegeldav ainekiht (reflektor) ja betoonist kaitsekest, mis püüab kinni neutroneid ja muid osakesi.

Soojuse eemaldamine kütuseelementidest. Jahutusvedelik, vesi, peseb varda, kuumutatakse kõrge rõhu all temperatuurini 300 ° C ja siseneb soojusvahetitesse.

Soojusvaheti ülesanne on see, et 300°C-ni kuumutatud vesi eraldab tavalisele veele soojust ja muutub auruks.

Tuumareaktsiooni juhtimine

Reaktori juhtimiseks kasutatakse kaadmiumi või boori sisaldavaid vardaid. Kui vardad on reaktori südamikust välja sirutatud, on K > 1 ja kui vardad on täielikult sisse tõmmatud - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Aeglaste neutronite reaktor.

Kõige tõhusam uraan-235 tuumade lõhustumine toimub aeglaste neutronite mõjul. Selliseid reaktoreid nimetatakse aeglaste neutronreaktoriteks. Lõhustumisreaktsiooni käigus tekkivad sekundaarsed neutronid on kiired. Selleks, et nende hilisem interaktsioon uraan-235 tuumadega ahelreaktsioonis oleks kõige tõhusam, aeglustatakse neid, viies tuumasse moderaatori – aine, mis vähendab neutronite kineetilist energiat.

Kiire neutronreaktor.

Kiirneutronreaktorid ei saa töötada loodusliku uraaniga. Reaktsiooni saab läbi viia ainult rikastatud segus, mis sisaldab vähemalt 15% uraani isotoopi. Kiirete neutronreaktorite eeliseks on see, et nende töö käigus tekib märkimisväärne kogus plutooniumi, mida saab seejärel kasutada tuumakütusena.

Homogeensed ja heterogeensed reaktorid.

Tuumareaktorid jagunevad olenevalt kütuse ja moderaatori suhtelisest paigutusest homogeenseteks ja heterogeenseteks. Homogeenses reaktoris on südamik kütuse, moderaatori ja jahutusvedeliku homogeenne mass lahuse, segu või sulami kujul. Reaktorit, milles kütus plokkide või kütusesõlmede kujul asetatakse moderaatorisse, moodustades selles korrapärase geomeetrilise võre, nimetatakse heterogeenseks.

Aatomituumade siseenergia muundamine elektrienergiaks.

Tuumareaktor on tuumaelektrijaama (NPP) põhielement, mis muundab soojusliku tuumaenergia elektrienergiaks. Energia muundamine toimub vastavalt järgmisele skeemile:

• uraani tuumade siseenergia -
• neutronite ja tuumafragmentide kineetiline energia -
• vee siseenergia -
• auru siseenergia -
• auru kineetiline energia -
• turbiini rootori ja generaatori rootori kineetiline energia -
• Elektrienergia.

Tuumareaktorite kasutamine.

Sõltuvalt otstarbest võivad tuumareaktorid olla jõureaktorid, muundurid ja aretusreaktorid, teadusuuringute ja mitmeotstarbelised, transpordi- ja tööstusreaktorid.

Tuumareaktoreid kasutatakse elektrienergia tootmiseks tuumaelektrijaamades, laevaelektrijaamades, tuumaelektri ja soojuse koostootmisjaamades ning tuumasoojusjaamades.

Reaktoreid, mis on kavandatud tootma sekundaarset tuumakütust looduslikust uraanist ja tooriumist, nimetatakse konverteriteks või aretajateks. Konverterreaktoris toodab sekundaarne tuumkütus vähem, kui algselt kulus.

Aretusreaktoris viiakse läbi tuumkütuse laiendatud taastootmine, s.o. selgub rohkem kui kulus.

Uurimisreaktoreid kasutatakse neutronite ja aine vastasmõju protsesside uurimiseks, reaktori materjalide käitumise uurimiseks intensiivsetes neutron- ja gammakiirguse väljades, radiokeemilistes ja bioloogilistes uuringutes, isotoopide tootmises ning tuumareaktorite füüsika eksperimentaalsetes uuringutes.

Reaktorid on erineva võimsusega, statsionaarsed või impulss-töörežiimid. Mitmeotstarbelised reaktorid on need, millel on mitu eesmärki, näiteks energia ja tuumkütuse tootmine.

Keskkonnakatastroofid tuumaelektrijaamades

• 1957 – õnnetus Suurbritannias
• 1966 – südamiku osaline sulamine pärast reaktori jahutushäiret Detroidi lähedal.
• 1971 – USA jõkke suundus palju reostunud vett
• 1979 – suurim õnnetus USA-s
• 1982 – radioaktiivse auru eraldumine atmosfääri
• 1983 - kohutav õnnetus Kanadas (radioaktiivne vesi voolas välja 20 minutit - tonn minutis)
• 1986 – õnnetus Suurbritannias
• 1986 – õnnetus Saksamaal
• 1986 – Tšernobõli tuumaelektrijaam
• 1988 – tulekahju Jaapanis tuumaelektrijaamas

Kaasaegsed tuumaelektrijaamad on varustatud personaalarvutitega, kuid varem töötasid reaktorid ka pärast õnnetust edasi, kuna puudus automaatne väljalülitussüsteem.

4. Materjali kinnitamine.

1. Mida nimetatakse tuumareaktoriks?
2. Mis on tuumakütus reaktoris?
3. Milline aine toimib tuumareaktoris neutronite aeglustajana?
4. Mis on neutronite moderaatori eesmärk?
5. Milleks kontrollvardaid kasutatakse? Kuidas neid kasutatakse?
6. Mida kasutatakse tuumareaktorites jahutusvedelikuna?
7. Miks peab iga uraanipulga mass olema kriitilisest massist väiksem?

5. Testi sooritamine.

1. Millised osakesed osalevad uraani tuumade lõhustumises?
   A. prootonid;
   B. neutronid;
   B. elektronid;
   G. heeliumi tuumad.
2. Milline uraani mass on kriitiline?
   A. suurim, mille korral ahelreaktsioon on võimalik;
   B. mis tahes mass;
   B. väikseim, mille juures ahelreaktsioon on võimalik;
   D. mass, mille juures reaktsioon peatub.
3. Mis on uraan 235 ligikaudne kriitiline mass?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Milliseid järgmisi aineid saab tuumareaktorites kasutada neutronite aeglustajatena?
   A. grafiit;
   B. kaadmium;
   B. raske vesi;
   G. boor.
5. Tuumaelektrijaamas tuumaahelreaktsiooni toimumiseks peab neutronite korrutustegur olema:
   A. on võrdne 1-ga;
   B. rohkem kui 1;
   V. vähem kui 1.
6. Raskete aatomite tuumade lõhustumise kiirust tuumareaktorites kontrollivad:
   A. neutronite neeldumise tõttu neelduriga varraste langetamisel;
   B. soojuse eemaldamise suurenemise tõttu jahutusvedeliku kiiruse suurenemisega;
   B. suurendades tarbijate elektrivarustust;
   G. vähendades tuumas oleva tuumakütuse massi varraste eemaldamisel kütusega.
7. Millised energiamuutused toimuvad tuumareaktoris?
   A. aatomituumade siseenergia muudetakse valgusenergiaks;
   B. aatomituumade siseenergia muudetakse mehaaniliseks energiaks;
   B. aatomituumade siseenergia muudetakse elektrienergiaks;
   D. ükski vastus pole õige.
8. 1946. aastal ehitati Nõukogude Liidus esimene tuumareaktor. Kes oli selle projekti juht?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurtšatov;
   V. D. Sahharov;
   G. A. Prohhorov.
9. Millist viisi peate kõige vastuvõetavamaks tuumajaamade töökindluse tõstmiseks ja väliskeskkonna saastumise vältimiseks?
   A. selliste reaktorite arendamine, mis suudavad reaktori südamikku käitaja tahtest olenemata automaatselt jahutada;
   B. TEJ käitamise kirjaoskuse, TEJ operaatorite professionaalse valmisoleku taseme tõstmine;
   B. ülitõhusate tehnoloogiate arendamine tuumaelektrijaamade demonteerimiseks ja radioaktiivsete jäätmete töötlemiseks;
   D. reaktorite asukoht sügaval maa all;
   D. tuumaelektrijaama ehitamisest ja käitamisest keeldumine.
10. Millised keskkonnasaasteallikad on seotud tuumaelektrijaamade tööga?
    A. uraanitööstus;
    B. erinevat tüüpi tuumareaktorid;
    B. radiokeemiatööstus;
    D. radioaktiivsete jäätmete töötlemise ja kõrvaldamise kohad;
    D. radionukliidide kasutamine rahvamajanduses;
    E. tuumaplahvatused.

Vastused: 1 B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5 A; 6 A; 7 V;. 8 B; 9 B.V; 10 A, B, C, D, E.

6. Tunni kokkuvõte.

Mida uut sa täna tunnis õppisid?

Mis teile tunnis meeldis?

Millised küsimused teil on?

AITÄH TÖÖ EEST TUNNIS!

Tuumaenergia tähtsus tänapäeva maailmas

Tuumaenergia on viimastel aastakümnetel teinud suuri edusamme, muutudes paljudes riikides üheks olulisemaks elektrienergia allikaks. Samas tuleb meeles pidada, et selle rahvamajanduse sektori arengu taga on kümnete tuhandete teadlaste, inseneride ja lihttööliste tohutud jõupingutused, tehes kõik selleks, et "rahulik aatom" ei muutuks tõeline oht miljonitele inimestele. Iga tuumaelektrijaama tegelik tuum on tuumareaktor.

Tuumareaktori loomise ajalugu

Esimese sellise seadme ehitas Teise maailmasõja haripunktis USA-s kuulus teadlane ja insener E. Fermi. Oma ebatavalise välimuse tõttu, mis meenutas üksteise peale laotud grafiitplokkide virna, nimetati seda tuumareaktorit Chicago Stackiks. Väärib märkimist, et see seade töötas uraanil, mis asetati just plokkide vahele.

Tuumareaktori loomine Nõukogude Liidus

Meie riigis pöörati kõrgendatud tähelepanu ka tuumaküsimustele. Hoolimata asjaolust, et teadlaste peamised jõupingutused olid keskendunud aatomi sõjalisele kasutamisele, kasutasid nad saadud tulemusi aktiivselt rahumeelsetel eesmärkidel. Esimese tuumareaktori koodnimetusega F-1 ehitas teadlaste rühm eesotsas kuulsa füüsiku I. Kurchatoviga 1946. aasta detsembri lõpus. Selle oluliseks puuduseks oli jahutussüsteemi puudumine, mistõttu selle vabastatud energia võimsus oli äärmiselt ebaoluline. Samal ajal lõpetasid Nõukogude teadlased alustatud töö, mille tulemusena avati vaid kaheksa aastat hiljem Obninski linnas maailma esimene tuumaelektrijaam.

Reaktori tööpõhimõte

Tuumareaktor on äärmiselt keeruline ja ohtlik tehniline seade. Selle tööpõhimõte põhineb asjaolul, et uraani lagunemise käigus eraldub mitu neutronit, mis omakorda löövad naaberosakestest välja uraani aatomitest. See ahelreaktsioon vabastab märkimisväärsel hulgal energiat soojuse ja gammakiirguse kujul. Samas tuleks arvestada asjaoluga, et kui seda reaktsiooni kuidagi ei kontrollita, võib uraani aatomite lõhustumine võimalikult lühikese ajaga kaasa tuua soovimatute tagajärgedega võimsa plahvatuse.

Et reaktsioon kulgeks rangelt määratletud piirides, on tuumareaktori projekteerimisel suur tähtsus. Praegu on iga selline struktuur omamoodi boiler, mille kaudu jahutusvedelik voolab. Tavaliselt kasutatakse selles mahus vett, kuid on tuumaelektrijaamu, mis kasutavad vedelat grafiiti või rasket vett. Kaasaegset tuumareaktorit on võimatu ette kujutada ilma sadade spetsiaalsete kuusnurksete kassettideta. Need sisaldavad kütust genereerivaid elemente, mille kanalite kaudu voolavad jahutusvedelikud. See kassett on kaetud spetsiaalse kihiga, mis on võimeline peegeldama neutroneid ja aeglustama seeläbi ahelreaktsiooni

Tuumareaktor ja selle kaitse

Sellel on mitu kaitsetaset. Lisaks kerele endale on see kaetud spetsiaalse soojusisolatsiooni ja pealt bioloogilise kaitsega. Insenertehniliselt on see konstruktsioon võimas raudbetoonpunker, mille uksed on võimalikult tihedalt suletud.

1948. aastal algas I. V. Kurtšatovi ettepanekul esimene töö aatomienergia praktilise kasutamise kohta elektri tootmiseks. Maailma esimene tööstuslik tuumaelektrijaam võimsusega 5 MW käivitati 27. juunil 1954 NSV Liidus, Kaluga oblastis asuvas Obninski linnas.

Väljaspool NSV Liitu pandi esimene tööstuslik tuumaelektrijaam võimsusega 46 MW tööle 1956. aastal Calder Hallis (Suurbritannia). Aasta hiljem hakkas Shippingportis (USA) tööle 60 MW tuumajaam.

Maailma suurim tuumaelektrijaamade park kuulub USA-le. Töös on 104 jõuallikat koguvõimsusega umbes 100 GW. Nad annavad 20% elektritoodangust.

Prantsusmaa on tuumaelektrijaamade kasutamises maailmas liider. Selle 59 tuumaelektrijaama toodavad umbes 80% kogu elektrienergiast. Pealegi on nende koguvõimsus väiksem kui Ameerika omadel - umbes 70 GW.

Tuumareaktorite arvu liidrite hulgas maailmas võib leida kaks Aasia riiki - Jaapani ja Lõuna-Korea.

Tuumaenergeetika arendamise aastate jooksul on tõsiseid õnnetusi juhtunud mitu korda, eriti Ameerika Three Mile Islandi tuumajaamas, Ukraina Tšernobõli tuumajaamas ja Jaapani Fukushima-1 tuumajaamas.

Valgevene võimud plaanivad tuumajaama rajamist Grodno oblastisse, mitmekümne kilomeetri kaugusele Leedu piirist. Jaam hakkab sisaldama kahte plokki koguvõimsusega 2,4 tuhat megavatti. Esimene peaks tööle 2016. aastal, teine ​​2018. aastal.

Lingid

Tuumareaktor

Tuumareaktor nimetatakse reaktoriks, milles toimub kontrollitud tuuma lõhustumise ahelreaktsioon. Praegu on palju erinevat tüüpi erineva võimsusega tuumareaktoreid, mis erinevad kasutatavate neutronite energia, kasutatava tuumkütuse tüübi, reaktori südamiku ehituse, moderaatori tüübi, jahutusvedeliku jms poolest. Esimene tuumareaktor ehitati 1942. aasta detsembris USA-s E. Fermi juhtimisel. Euroopas oli esimene tuumareaktor F-1 rajatis. See käivitati 25. detsembril 1946 Moskvas I. V. Kurtšatovi juhtimisel.

Joonisel on skeem kaheahelalise survevee jõureaktoriga tuumaelektrijaama tööst. Reaktori südamikus vabanev energia kantakse üle primaarsele jahutusvedelikule. Järgmisena siseneb jahutusvedelik soojusvahetisse (aurugeneraatorisse), kus see soojendab sekundaarahela vee keemiseni. Saadud aur siseneb turbiinidesse, mis pöörlevad elektrigeneraatoreid. Turbiinide väljapääsu juures siseneb aur kondensaatorisse, kus seda jahutab reservuaarist tulev suur hulk vett.

Aeglaste neutronite reaktorid

Termilistel neutronitel (nende kiirus 2·10 3 m/s) töötavad reaktorid koosnevad järgmistest põhiosadest:

A) lõhustuv materjal, mida kasutatakse uraani isotoopidena (\(~^(233)_(92)U\) ,\(~^(235)_(92)U\)), tooriumi (\(~^(232)_) ( 90)Th\)) või plutoonium (\(~^(239)_(94)Pu\) , \(~^(240)_(94)Pu\) , \(~^(241)_(94 ) Pu\)); b) neutronite moderaator, mis on grafiit, raske või tavaline vesi; V) neutron reflektor, mida tavaliselt kasutatakse samu aineid, mis neutronite modereerimiseks; G) jahutusvedelik, mis on ette nähtud soojuse eemaldamiseks reaktori südamikust. Jahutusvedelikuna kasutatakse vett, vedelaid metalle ja mõningaid orgaanilisi vedelikke; d) kontrollvardad; e) kiirgusseire ja bioloogilise kaitse süsteemid keskkond neutronivoogudest ja γ - reaktori südamikus tekkiv kiirgus.

Uraan sisaldub tuumkütuses tulekindlate ühendite kujul. Nende hulgas on eriti populaarne uraandioksiid U2O, mis on keemiliselt inertne ja talub temperatuuri kuni 2800 °C. Sellest keraamikast valmistatakse väikesed mitmesentimeetrise läbimõõduga tabletid. Saadud tuumkütus pakendatakse nn kütuseelemendid(kütuseelemendid), millest ühe struktuur on näidatud joonisel 2. Tsirkooniumkest on mõeldud uraani ja radioaktiivsete ahelreaktsiooni produktide isoleerimiseks keemilise kokkupuute eest väliskeskkonnaga, eelkõige jahutusvedelikuga. Kütuseelement peab soojust hästi juhtima, kandes selle tuumakütusest jahutusvedelikku.

Riis. 2. Kütuseelemendid (kütusevardad)

Kui reaktsioon tekitab vähem neutroneid kui vaja, siis ahelreaktsioon varem või hiljem peatub. Kui neutroneid toodetakse rohkem kui vaja, suureneb lõhustumisreaktsioonis osalevate uraani tuumade arv plahvatuslikult. Kui neutronite neeldumise kiirust ei suurendata, võib kontrollitud reaktsioon areneda tuumaplahvatuseks.

Neutronite neeldumise kiirust saab muuta kaadmiumist, hafniumist, boorist või muudest ainetest valmistatud kontrollvarraste abil (joonis 3).

Tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni käigus tuumareaktoris eralduva soojuse viib jahutusvedelik - vesi rõhul 10 MPa, mille tulemusena vesi soojeneb ilma keetmata temperatuurini 270 ° C. Järgmisena siseneb vesi soojusvahetisse, kus see loovutab olulise osa oma siseenergiast sekundaarringi veele ja siseneb pumpade abil uuesti reaktori südamikusse. Sekundaarse ahela vesi soojusvahetis muundatakse auruks, mis siseneb auruturbiini, mis käitab elektrigeneraatorit. Teine ahel, nagu esimene, on suletud. Pärast turbiini siseneb aur kondensaatorisse, kus spiraali jahutatakse külma jooksva veega. Siin muutub aur veeks ja siseneb pumpade abil uuesti soojusvahetisse. Vee liikumise suund ahelates on selline, et soojusvahetis liiguvad mõlemas ahelas olevad veevoolud üksteise poole. Eraldi ahelad on vajalikud ka seetõttu, et primaarringis muutub reaktori südamikku läbiv vesi radioaktiivseks. Teises ahelas on aur ja vesi praktiliselt mitteradioaktiivsed.

Lingid

Kiired reaktorid

Kui tuumkütusena kasutatakse uraani, milles isotoobi \(~^(235)_(92)U\) sisaldus on oluliselt suurenenud, siis saab tuumareaktor töötada ilma moderaatori kasutamiseta ajal vabanevatel kiiretel neutronitel. tuuma lõhustumine. Sellises reaktoris suudavad uraan-238 isotoobi tuumad absorbeerida enam kui 1/3 ahelreaktsiooni käigus vabanevatest neutronitest, mille tulemusena moodustuvad uraan-239 isotoobi tuumad.

Uue isotoobi tuumad on beeta-radioaktiivsed. Beeta-lagunemise tulemusena moodustub perioodilisuse tabeli üheksakümne kolmanda elemendi - neptuuniumi - tuum. Neptuuniumi tuum omakorda muundub beeta-lagunemise kaudu üheksakümne neljanda elemendi - plutooniumi - tuumaks:

\(~\begin(maatriks) & \nearrow \beta^- & \nearrow \beta^- & \\ ^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to & ^(239)_(92)U \to \ & ^(239)_(93)Np \to \ & ^(239)_(94)Pu \end(maatriks)\) .

Seega muundub uraan-238 isotoobi tuum pärast neutroni neeldumist spontaanselt plutooniumi isotoobi \(~^(239)_(94)Pu\) tuumaks.

Plutoonium-239 on oma võimelt suhelda neutronitega väga sarnane uraan-235 isotoobiga. Neutroni neeldumisel plutooniumi tuum jaguneb ja kiirgab 3 neutronit, mis võivad toetada ahelreaktsiooni arengut. Järelikult ei ole kiirneutronreaktor mitte ainult rajatis uraan-235 isotoobi tuumade lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimiseks, vaid samas ka rajatis uue tuumakütuse plutoonium-239 tootmiseks laialt levinud ja suhteliselt odavast. uraan-238 isotoop. Kiirneutronreaktoris tarbitava 1 kg uraan-235 kohta võib saada üle kilogrammi plutoonium-239, mida saab omakorda kasutada ahelreaktsiooni läbiviimiseks ja uraanist uue plutooniumi portsjoni tootmiseks.

Seega võib kiirneutronite tuumareaktor toimida samaaegselt nii elektrijaama kui ka tuumakütuse aretusreaktorina, mis lõppkokkuvõttes võimaldab kasutada lisaks haruldasele uraan-235 isotoobile ka uraan-238 isotoopi, mis on 140 korda suurem. looduses rohkesti, energia tootmiseks .

Lingid

1. Kiirete neutronreaktoritega tuumaelektrijaam (BN 600)
2. Ballaad kiiretest neutronitest: Belojarski tuumaelektrijaama ainulaadne reaktor

Tuumareaktorite otstarve

Vastavalt nende otstarbele jagunevad tuumareaktorid järgmisteks tüüpideks:

A) uuringud - nende abiga saadakse teaduslikel eesmärkidel võimsaid neutronite kiirteid; b) energia – mõeldud elektrienergia tootmiseks tööstuslikus mastaabis; c) kaugküte - saavad soojust tööstuse ja kaugkütte vajadusteks; d) viljakas – kasutatakse lõhustuvate plutooniumimaterjalide saamiseks uraanist \(~^(238)_(92)U\) ja tooriumist \(~^(232)_(90)Th\) (94)Pu\) ja uraanist \(~^(233)_(92)U\); e) transport – neid kasutatakse laevade ja allveelaevade tõukejõusüsteemides; f) reaktorid kunstliku radioaktiivsusega mitmesuguste keemiliste elementide isotoopide tööstuslikuks tootmiseks.

Lingid

Tuumaelektrijaamade eelised

Tuumaelektrijaamadel on fossiilkütustel töötavate soojuselektrijaamadega võrreldes mitmeid eeliseid:

• väike kasutatud kütuse maht ja selle taaskasutamise võimalus pärast töötlemist: 1 kg looduslikku uraani asendab 20 tonni kivisütt. Võrdluseks, ainuüksi Troitskaja GRES, mille võimsus on 2000 MW, põletab kaks rongitäit sütt päevas;
• kuigi tuumaelektrijaama töö käigus eraldub atmosfääri teatud kogus ioniseeritud gaasi, eraldub tavaline soojuselektrijaam koos suitsuga söe loodusliku radioaktiivsete elementide sisalduse tõttu veelgi suuremas koguses kiirgust;
• Suuremat võimsust on võimalik saada ühest tuumajaama reaktorist (1000-1600 MW jõuploki kohta).

Ökoloogilised probleemid

Kaasaegsete tuumaelektrijaamade kasutegur on ligikaudu 30%. Seetõttu peab 1000 MW elektrienergia tootmiseks reaktori soojusvõimsus ulatuma 3000 MW-ni. 2000 MW peab ära kandma kondensaatorit jahutav vesi. See toob kaasa looduslike veehoidlate lokaalse ülekuumenemise ja sellele järgneva keskkonnaprobleemide tekkimise. Väga oluline ülesanne on tagada tuumaelektrijaamades töötavate inimeste täielik kiirgusohutus ning vältida radioaktiivsete ainete juhuslikku sattumist, mis akumuleeruvad suures koguses reaktori südamikus. Tuumareaktorite arendamisel pööratakse sellele probleemile palju tähelepanu. Tuumaenergial, nagu ka paljudel teistel tööstusharudel, on aga kahjulikud ja ohtlikud keskkonnamõjud. Suurim võimalik oht on radioaktiivne saaste.

Kogemused tuumaelektrijaamade töös üle maailma näitavad, et biosfäär on tuumajaamade normaalse töö käigus usaldusväärselt kaitstud kiirguse eest. Pärast Tšernobõli tuumaelektrijaama avariid (1986) muutus tuumaenergia ohutuse probleem eriti teravaks. Tšernobõli tuumaelektrijaama neljanda reaktori plahvatus näitas, et reaktori südamiku hävimise oht personalivigade ja projekteerimisvigade tõttu on endiselt reaalsus. Selle ohu vähendamiseks tuleb võtta kõige rangemad meetmed.

Keerulised probleemid tekivad radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamise ja vanade tuumajaamade demonteerimisega. Kõige kuulsamad lagunemissaadused on strontsium ja tseesium. Kasutatud tuumkütuse plokke tuleb jahutada. Fakt on see, et radioaktiivse lagunemise ajal eraldub nii palju soojust, et plokid võivad sulada. Lisaks võivad plokid eraldada uusi radioaktiivseid elemente. Neid elemente kasutatakse radioaktiivsuse allikatena meditsiinis, tööstuses ja teadusuuringutes. Kõik muud tuumajäätmed tuleb isoleerida ja ladustada mitu aastat. Alles mõnesaja aasta pärast väheneb jäätmete radioaktiivsus ja muutub võrreldavaks loodusliku fooniga. Jäätmed paigutatakse spetsiaalsetesse konteineritesse, mis maetakse kaevandatud kaevandustesse või kivipragudesse.

100 RUR boonus esimese tellimuse eest

Vali töö liik Diplomitöö Kursusetöö Abstraktne Magistritöö Praktikaaruanne Artikkel Aruanne Arvustus Kontrolltöö Monograafia Probleemide lahendamine Äriplaan Vastused küsimustele Loovtöö Essee Joonistus Esseed Tõlkesitlused Tippimine Muu Teksti unikaalsuse suurendamine Magistritöö Laboritöö On-line abi

Uuri hinda

Tööstuslikud tuumareaktorid töötati algselt välja ainult tuumarelvadega riikides. USA, NSVL, Suurbritannia ja Prantsusmaa uurisid aktiivselt erinevaid tuumareaktorite võimalusi. Kuid hiljem hakkasid tuumaenergias domineerima kolm peamist tüüpi reaktoreid, mis erinesid peamiselt kütuse, südamiku vajaliku temperatuuri hoidmiseks kasutatava jahutusvedeliku ja lagunemisprotsessi käigus eralduvate neutronite kiiruse vähendamiseks kasutatava moderaatori poolest. vajalik ahelreaktsiooni säilitamiseks.

Nende hulgas on esimene (ja levinum) rikastatud uraani reaktor, milles nii jahutusvedelik kui ka moderaator on tavaline ehk “kerge” vesi (kergeveereaktor). Kergveereaktoril on kaks põhilist kontrolli: pektor, mille käigus PAP, millesse süstitakse aktiivset tsooni (keemisreaktor) ja pectoP, mille puhul PAP-i ületatakse välis- või teises, kontrastis. seotud soojusvahetite õisiku ja paraductois P , vt allpool). USA relvajõudude programmide raames alustati kergveereaktori väljatöötamist. Nii töötasid General Electric ja Westinghouse 1950. aastatel välja kergeveereaktorid USA mereväe allveelaevadele ja lennukikandjatele. Need ettevõtted olid seotud ka tuumakütuse regenereerimise ja rikastamise tehnoloogiate arendamise sõjaliste programmide elluviimisega. Samal kümnendil töötati Nõukogude Liidus välja grafiidist moderaatoriga keeduveereaktor.

Teist tüüpi reaktorid, mis on leidnud praktilist rakendust, on gaasjahutusega reaktor (grafiitmoderaatoriga). Selle loomine oli tihedalt seotud ka varajaste tuumarelvaprogrammidega. 1940. aastate lõpus ja 1950. aastate alguses keskendusid Suurbritannia ja Prantsusmaa oma aatomipommide loomise nimel gaasijahutusega reaktorite arendamisele, mis toodavad üsna tõhusalt relvade kvaliteediga plutooniumi ja suudavad töötada ka loodusliku uraani abil.

Kolmas kaubandusliku edu saavutanud reaktoritüüp on reaktor, milles nii jahutusvedelikuks kui ka moderaatoriks on raske vesi ning kütuseks on samuti looduslik uraan. Tuumaajastu alguses uuriti raskeveereaktori võimalikke eeliseid mitmes riigis. Kuid selliste reaktorite tootmine koondus peamiselt Kanadasse, osaliselt selle tohutute uraanivarude tõttu.

Praegu on maailmas viit tüüpi tuumareaktoreid. Need on VVER reaktor (Water-Water Energy Reactor), RBMK (High Power Channel Reactor), raskeveereaktor, gaasikontuuriga kuultäitereaktor, kiirneutronreaktor. Igal reaktoritüübil on disainifunktsioonid, mis eristavad seda teistest, kuigi loomulikult võib teatud konstruktsioonielemente laenata ka teistelt reaktoritüüpidelt. VVER-id ehitati peamiselt endises NSV Liidus ja Ida-Euroopas, palju RBMK-tüüpi reaktoreid ehitati peamiselt Ameerikas, Lääne-Euroopas ja Kagu-Aasias.

VVER. VVER-reaktorid on Venemaal kõige levinum reaktoritüüp. Nendes kasutatava moderaatori jahutusvedeliku madal hind ja suhteline tööohutus on väga atraktiivsed, hoolimata vajadusest kasutada nendes reaktorites rikastatud uraani. VVER reaktori nimest järeldub, et nii selle moderaator kui ka jahutusvedelik on tavaline kerge vesi. Kütusena kasutatakse 4,5%-ni rikastatud uraani.

RBMK. RBMK on ehitatud veidi teisel põhimõttel kui VVER. Esiteks toimub selle südamikus keemine - reaktorist tuleb auru-vee segu, mis läbi separaatorite jagatakse veeks, mis naaseb reaktori sisselaskeavasse, ja auruks, mis läheb otse turbiini. Turbiini toodetav elekter kulub nagu VVER reaktoris ka tsirkulatsioonipumpade tööks. Selle elektriskeem on näidatud joonisel 4.

RBMK elektrivõimsus on 1000 MW. RBMK reaktoriga tuumaelektrijaamad moodustavad tuumaenergiatööstuses olulise osa. Seega on nendega varustatud Leningradi, Kurski, Tšernobõli, Smolenski ja Ignalina tuumajaamad.

Erinevat tüüpi tuumareaktorite võrdlemisel tasub keskenduda nende seadmete kahele enamlevinud tüübile meil ja maailmas: VVER ja RBMK. Põhimõttelisemad erinevused: VVER - surveanuma reaktor (rõhku hoiab reaktorianum); RBMK – kanalreaktor (rõhku hoitakse igas kanalis iseseisvalt); VVER-is on jahutusvedelikuks ja moderaatoriks sama vesi (täiendavat moderaatorit ei kasutata), RBMK-s on moderaatoriks grafiit ja jahutusvedelikuks vesi; VVER-is tekib aur aurugeneraatori teises korpuses RBMK-s, aur tekib otse reaktori südamikus (keemisreaktor) ja see läheb otse turbiini - teist vooluringi pole; Aktiivsete tsoonide erineva struktuuri tõttu on ka nende reaktorite tööparameetrid erinevad. Reaktori ohutuse tagamiseks on oluline järgmine parameeter: reaktsioonivõime koefitsient– seda saab piltlikult kujutada väärtusena, mis näitab, kuidas reaktori ühe või teise parameetri muutused mõjutavad selles toimuva ahelreaktsiooni intensiivsust. Kui see koefitsient on positiivne, siis parameetri, millega koefitsient antakse, suureneb ahelreaktsioon reaktoris muude mõjude puudumisel ja lõpuks on võimalik, et see muutub kontrollimatuks ja kaskaadiks. suureneb - reaktor kiirendab. Reaktori kiirenemisel toimub intensiivne soojuse eraldumine, mis viib kütusesüdamike sulamiseni, nende sulandi voolamiseni südamiku alumisse ossa, mis võib viia reaktori anuma hävimiseni ja radioaktiivsete ainete eraldumiseni südamikusse. keskkond.

Tabelis 13 on näidatud RBMK ja VVER reaktsioonivõime näitajad.

VVER reaktoris, kui auru ilmub südamikusse või kui jahutusvedeliku temperatuur tõuseb, mis viib selle tiheduse vähenemiseni, väheneb neutronite kokkupõrgete arv jahutusvedeliku molekulide aatomitega, mille tulemusena väheneb neutronite aeglustumine. millest nad kõik lahkuvad tuumast teiste tuumadega reageerimata. Reaktor peatub.

Kokkuvõtteks võib öelda, et RBMK reaktor nõuab vähem kütuse rikastamist, on paremate võimetega toota lõhustuvat materjali (plutooniumi), tal on pidev töötsükkel, kuid see on töötamisel potentsiaalselt ohtlikum. Selle ohu määr sõltub hädakaitsesüsteemide kvaliteedist ja operatiivpersonali kvalifikatsioonist. Lisaks on sekundaarahela puudumise tõttu RBMK-l töötamise ajal suurem kiirgusemissioon atmosfääri.

Raske vee reaktor. Kanadas ja Ameerikas eelistasid tuumareaktorite arendajad reaktoris ahelreaktsiooni säilitamise probleemi lahendamisel kasutada moderaatorina rasket vett. Raskel veel on väga madal neutronite neeldumisaste ja väga kõrged aeglustavad omadused, mis ületavad grafiidi omasid. Seetõttu töötavad raskeveereaktorid rikastamata kütusel, mistõttu pole vaja ehitada keerulisi ja ohtlikke uraani rikastamistehaseid.

Kuulsusega reaktor. Palliga täidetud reaktoris on südamik kuuli kujuline, millesse valatakse kütuseelemendid, samuti sfäärilised. Iga element on grafiidist kera, mille vahele jäävad uraanoksiidi osakesed. Gaas pumbatakse läbi reaktori - kõige sagedamini kasutatakse süsinikdioksiidi CO2. Gaas juhitakse südamikusse rõhu all ja seejärel siseneb soojusvahetisse. Reaktorit reguleeritakse südamikusse sisestatud neeldumisvarraste abil.

Kiire neutronreaktor. Kiire neutronreaktor erineb oluliselt kõigist teistest reaktoritüüpidest. Selle põhieesmärk on pakkuda lõhustuva plutooniumi laiendatud tootmist uraan-238-st eesmärgiga põletada kogu looduslik uraan või oluline osa sellest, samuti olemasolevad vaesestatud uraani varud. Kiirete neutronreaktorite energiasektori arenguga saab lahendada tuumaenergia kütusega isevarustatuse probleem.

Kiire neutronreaktoris pole moderaatorit. Sellega seoses ei kasutata kütusena mitte uraan-235, vaid plutooniumi ja uraan-238, mida kiired neutronid võivad lõhustada. Plutooniumi on vaja piisava neutronvoo tiheduse tagamiseks, mida uraan-238 üksi ei suuda tagada. Reaktori soojuseraldus kiiretel neutronitel on kümme kuni viisteist korda suurem kui reaktorite soojuseraldus aeglastel neutronitel ja seetõttu kasutatakse vee asemel (mis lihtsalt ei suuda sellise energiamahuga ülekandeks hakkama saada) naatriumi ( selle temperatuur sisselaskeava juures on 370 kraadi ja väljalaskeava juures – 550, praegu kiirneutronreaktoreid laialdaselt ei kasutata, seda peamiselt konstruktsiooni keerukuse ja konstruktsiooniosade jaoks piisavalt stabiilsete materjalide hankimise probleemi tõttu ühel seda tüüpi reaktoril Venemaal (Belojarski TEJ reaktoril on suur tulevik).

Kokkuvõtteks tasub öelda järgmist. VVER reaktorid on töötamiseks üsna ohutud, kuid nõuavad kõrgelt rikastatud uraani. RBMK reaktorid on ohutud ainult siis, kui neid õigesti käitatakse ja neil on hästi arenenud kaitsesüsteemid, kuid nad on võimelised kasutama väherikastatud kütust või isegi VVER-ide kasutatud kütust. Raskeveereaktorid on kasulikud kõigile, kuid raske vee tootmine on liiga kallis. Palliga täidetud reaktorite tootmise tehnoloogia ei ole veel hästi välja töötatud, kuigi seda tüüpi reaktoreid tuleks pidada laialdaseks kasutamiseks kõige vastuvõetavamaks, eelkõige seetõttu, et reaktori käivitamisel puuduvad katastroofilised tagajärjed. õnnetus. Kiired neutronreaktorid on tuumaenergia kütusetootmise tulevik. Need reaktorid kasutavad tuumkütust kõige tõhusamalt, kuid nende konstruktsioon on väga keeruline ja endiselt ebausaldusväärne.