원자로 작동에 대한 설명. 학교 백과사전. 현대 원자로

원자로 노심- 현재 사용되는 모든 에너지 중 가장 집중된 유형의 에너지 집중은 15cm 벽의 강철 쉘에 있습니다. 핵에는 각각 길이가 약 3m인 수백 개의 스테인레스 스틸 튜브에 담긴 펠렛 형태의 우라늄-235가 포함되어 있습니다.

우라늄-235 원자는 핵분열 연쇄반응을 거치며, 이 과정에서 여러 조각으로 쪼개지고 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 우라늄-235 1그램(0.35온스)의 핵분열은 약 2,000리터의 석유를 연소하는 것과 같은 에너지를 방출합니다. 원자로 노심을 통과하는 물은 2차 공급수를 가열하여 증기로 전환하여 터빈 블레이드에 공급됩니다. .

에너지를 방출하는 것 외에도 우라늄-235 원자의 핵분열은 원자핵의 두 가지 주요 입자 중 하나인 중성자를 방출합니다. 이 중성자는 다른 우라늄-235 원자와 충돌하여 이를 쪼개고 연쇄 반응을 유지하는 데 필요한 추가 중성자를 방출하여 장기적인 에너지원을 생성합니다. 연쇄 반응은 중성자를 잘 흡수하는 물질인 붕소 또는 카드뮴 막대를 코어에 도입하여 제어됩니다.

우라늄-235의 연쇄반응

우라늄-235 원자는 중성자와 충돌할 때 불안정해지고 두 개의 작은 원자로 쪼개집니다. 이 과정을 핵분열이라고합니다. 우라늄-235가 핵분열할 때 2~3개의 중성자를 방출하는데, 이는 다른 우라늄-235 원자와 충돌하여 자립적인 연쇄 반응을 시작할 수 있습니다.

원자력

핵분열은 원자로 노심 내부에서 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 뜨거운 코어를 통과하는 물은 2차 공급수를 가열하여 증기로 변환한 다음 터빈에 공급됩니다.

일본 원자력 연구소의 원자력 발전소.

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수업 목표:

• 교육적인: 기존 지식 업데이트; 개념 형성을 계속하십시오 : 우라늄 핵분열, 핵 연쇄 반응, 발생 조건, 임계 질량; 새로운 개념 소개: 원자로, 원자로의 주요 요소, 원자로의 구조 및 작동 원리, 원자로의 제어, 원자로의 분류 및 용도
• 교육적인: 관찰하고 결론을 도출하는 기술을 지속적으로 개발하고 학생들의 지적 능력과 호기심을 개발합니다.
• 교육적인: 실험 과학으로서 물리학에 대한 태도를 계속 발전시킵니다. 일, 규율에 대한 성실한 태도, 지식에 대한 긍정적 인 태도를 기르십시오.

수업 유형:새로운 자료를 학습합니다.

장비:멀티미디어 설치.

수업 중

1. 조직적인 순간.

얘들아! 오늘 수업에서 우리는 우라늄 핵분열, 핵 연쇄 반응, 발생 조건, 임계 질량을 반복하고 원자로가 무엇인지, 원자로의 주요 요소, 원자로의 구조를 배울 것입니다 그리고 그 작동 원리, 핵반응의 제어, 원자로의 분류 및 그 사용.

2. 학습한 내용을 확인합니다.

1. 우라늄 핵분열 메커니즘.
2. 핵연쇄반응의 메커니즘에 대해 말해 보세요.
3. 우라늄 핵의 핵분열 반응의 예를 들어보자.
4. 임계 질량이란 무엇입니까?
5. 질량이 임계보다 작거나 임계보다 큰 경우 우라늄에서 연쇄 반응이 어떻게 발생합니까?
6. 우라늄 295의 임계질량은 얼마입니까? 임계질량을 줄이는 것이 가능합니까?
7. 핵 연쇄 반응의 과정을 어떤 방법으로 바꿀 수 있습니까?
8. 빠른 중성자를 느리게 하는 목적은 무엇입니까?
9. 중재자로 어떤 물질이 사용됩니까?
10. 어떤 요인으로 인해 우라늄 조각의 자유 중성자 수가 증가하여 우라늄에서 반응이 일어날 가능성이 보장될 수 있습니까?

3. 신소재에 대한 설명.

여러분, 이 질문에 답해 보세요. 원자력 발전소의 주요 부분은 무엇입니까? ( 원자로)

잘하셨어요. 자, 이제 이 문제를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

역사적 참고자료.

이고르 바실리예비치 쿠르차토프(Igor Vasilyevich Kurchatov)는 소련의 뛰어난 물리학자, 학자, 설립자이자 1943년부터 1960년까지 원자력 연구소의 초대 이사였으며, 소련 원자 문제의 수석 과학 책임자이자 평화적 목적을 위한 원자력 사용의 창시자 중 한 명입니다. . 소련 과학 아카데미의 학자(1943). 소련 최초의 원자폭탄은 1949년에 실험되었습니다. 4년 후, 세계 최초의 수소폭탄 시험에 성공했습니다. 그리고 1949년에 Igor Vasilyevich Kurchatov는 원자력 발전소 프로젝트 작업을 시작했습니다. 원자력발전소는 원자력의 평화적 이용을 알리는 신호탄입니다. 프로젝트는 성공적으로 완료되었습니다. 1954년 7월 27일에 우리 원자력 발전소가 세계 최초가 되었습니다! Kurchatov는 어린아이처럼 기뻐하며 즐거운 시간을 보냈습니다!

원자로의 정의.

원자로는 특정 중핵의 분열에 대한 제어된 연쇄 반응이 수행되고 유지되는 장치입니다.

최초의 원자로는 1942년 E. Fermi의 지도 하에 미국에서 건설되었습니다. 우리나라에서는 I.V. Kurchatov의 지도력 하에 1946년에 최초의 원자로가 건설되었습니다.

원자로의 주요 요소는 다음과 같습니다.

• 핵연료(우라늄 235, 우라늄 238, 플루토늄 239);
• 중성자 감속재(중수, 흑연 등);
• 원자로 운전 중 발생하는 에너지(물, 액체나트륨 등)를 제거하기 위한 냉각수;
• 제어봉(붕소, 카드뮴) - 중성자를 잘 흡수함
• 방사선을 차단하는 보호 쉘(철 충전재를 사용한 콘크리트)입니다.

동작 원리 원자로

핵연료는 핵연료요소(Fuel Elements)라 불리는 수직봉 형태로 노심에 위치한다. 연료봉은 원자로 출력을 조절하도록 설계되었습니다.

각 연료봉의 질량은 임계질량에 비해 현저히 작아서 하나의 연료봉에서는 연쇄반응이 일어날 수 없습니다. 모든 우라늄 막대가 핵에 잠긴 후에 시작됩니다.

코어는 중성자를 반사하는 물질층(반사체)과 중성자와 기타 입자를 가두는 콘크리트 보호 쉘로 둘러싸여 있습니다.

연료 전지에서 열 제거. 냉각수인 물은 로드를 세척하고 고압에서 300°C로 가열된 후 열교환기로 들어갑니다.

열교환기의 역할은 300°C로 가열된 물이 일반 물에 열을 방출하여 증기로 변하는 것입니다.

핵반응 제어

원자로는 카드뮴이나 붕소가 포함된 막대를 사용하여 제어됩니다. 막대가 원자로 노심에서 확장되면 K > 1이고 완전히 수축되면 - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

느린 중성자 원자로.

우라늄-235 핵의 가장 효율적인 핵분열은 느린 중성자의 영향으로 발생합니다. 이러한 원자로를 느린 중성자 원자로라고 합니다. 핵분열 반응으로 생성된 2차 중성자는 속도가 빠릅니다. 연쇄 반응에서 우라늄-235 핵과의 후속 상호 작용이 가장 효과적이려면 중성자의 운동 에너지를 감소시키는 물질인 감속재를 코어에 도입하여 속도를 늦춥니다.

고속 중성자로.

고속 중성자로는 천연 우라늄으로는 작동할 수 없습니다. 반응은 적어도 15%의 우라늄 동위원소를 함유한 농축 혼합물에서만 유지될 수 있습니다. 고속 중성자로의 장점은 가동 시 상당한 양의 플루토늄이 생성되어 핵연료로 사용될 수 있다는 것입니다.

동종 및 이종 반응기.

원자로는 연료와 감속재의 상대적 배치에 따라 동종 원자로와 이종 원자로로 구분됩니다. 균질 원자로에서 노심은 용액, 혼합물 또는 용융물 형태의 연료, 감속재 및 냉각제로 구성된 균질한 덩어리입니다. 블록 또는 연료 집합체 형태의 연료가 감속재에 배치되어 규칙적인 기하학적 격자를 형성하는 원자로를 이종이라고 합니다.

원자핵의 내부 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

원자로는 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 원자력 발전소(NPP)의 주요 구성 요소입니다. 에너지 변환은 다음 구성표에 따라 발생합니다.

• 우라늄 핵의 내부 에너지 -
• 중성자와 핵 파편의 운동 에너지 -
• 물의 내부 에너지 -
• 증기의 내부 에너지 -
• 증기의 운동 에너지 -
• 터빈 로터와 발전기 로터의 운동 에너지 -
• 전기 에너지.

원자로의 사용.

원자로는 목적에 따라 전력 원자로, 변환기 및 육종가, 연구 및 다목적, 운송 및 산업이 될 수 있습니다.

원자력발전용 원자로는 원자력발전소, 선박발전소, 원자력열병합발전소, 원자력 열공급소에서 전기를 생산하는 데 사용됩니다.

천연 우라늄과 토륨으로부터 2차 핵연료를 생산하도록 설계된 원자로를 전환기 또는 증식기라고 합니다. 변환기 원자로에서 2차 핵연료는 초기에 소비된 것보다 적은 양을 생산합니다.

증식형 원자로에서는 핵연료의 확장 재생산이 수행됩니다. 지출 된 것보다 더 많은 것이 밝혀졌습니다.

연구용 원자로는 중성자와 물질의 상호 작용 과정을 연구하고, 중성자와 감마선의 집중 분야에서 원자로 재료의 거동을 연구하고, 방사성 화학 및 생물학적 연구, 동위원소 생산, 원자로 물리학에 대한 실험 연구에 사용됩니다.

원자로에는 고정식 또는 펄스 작동 모드 등 다양한 출력이 있습니다. 다목적 원자로는 에너지 생성, 핵연료 생산 등 여러 목적을 수행하는 원자로입니다.

원자력 발전소의 환경 재해

• 1957년 - 영국에서의 사고
• 1966 – 디트로이트 근처에서 원자로 냉각 실패 후 노심이 부분적으로 용해되었습니다.
• 1971 - 많은 오염된 물이 미국 강으로 유입되었습니다.
• 1979 – 미국 최대 규모의 사고
• 1982 – 방사성 증기가 대기로 방출됨
• 1983년 - 캐나다에서 발생한 끔찍한 사고(방사성수가 20분간 분당 1톤씩 유출됨)
• 1986 – 영국 사고
• 1986 – 독일에서의 사고
• 1986 – 체르노빌 원자력 발전소
• 1988년 - 일본 원자력 발전소 화재

현대 원자력 발전소에는 PC가 설치되어 있지만 이전에는 자동 정지 시스템이 없어 사고 후에도 원자로가 계속 작동했습니다.

4. 재료를 고정합니다.

1. 원자로를 무엇이라 부르나요?
2. 원자로의 핵연료는 무엇입니까?
3. 원자로에서 중성자 감속재 역할을 하는 물질은 무엇입니까?
4. 중성자 감속재의 목적은 무엇입니까?
5. 제어봉은 어떤 용도로 사용되나요? 어떻게 사용되나요?
6. 원자로에서 냉각수로 사용되는 것은 무엇입니까?
7. 각 우라늄 막대의 질량이 임계질량보다 작아야 하는 이유는 무엇입니까?

5. 테스트 실행.

1. 우라늄 핵분열에 관여하는 입자는 무엇입니까?
   A. 양성자;
   B. 중성자;
   B. 전자;
   G. 헬륨 핵.
2. 우라늄의 질량은 얼마나 중요합니까?
   A. 연쇄반응이 가능한 최대치
   B. 모든 덩어리;
   B. 연쇄 반응이 가능한 가장 작은 것;
   D. 반응이 멈추는 질량.
3. 우라늄 235의 대략적인 임계질량은 얼마입니까?
   A. 9kg;
   B. 20kg;
   B. 50kg;
   G.90kg.
4. 다음 중 원자로에서 중성자 감속재로 사용할 수 있는 물질은 무엇입니까?
   A. 흑연;
   B. 카드뮴;
   B. 중수;
   G. 붕소.
5. 원자력 발전소에서 핵 연쇄 반응이 일어나려면 중성자 증식 인자가 다음과 같아야 합니다.
   A.는 1과 같습니다.
   B. 1개 이상;
   V. 1 미만.
6. 원자로에서 중원자 핵의 핵분열 속도는 다음에 의해 제어됩니다.
   A. 흡수체로 막대를 낮출 때 중성자의 흡수로 인해;
   B. 냉각수 속도가 증가함에 따라 열 제거가 증가하기 때문입니다.
   B. 소비자에게 전력 공급을 늘립니다.
   G. 연료봉을 제거할 때 노심의 핵연료 질량을 줄입니다.
7. 원자로에서는 어떤 에너지 변화가 발생합니까?
   A. 원자핵의 내부 에너지가 빛 에너지로 변환됩니다.
   B. 원자핵의 내부 에너지가 기계적 에너지로 변환됩니다.
   B. 원자핵의 내부 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.
   D. 정답이 하나도 없습니다.
8. 1946년 소련에서는 최초의 원자로가 건설되었습니다. 이 프로젝트의 리더는 누구였나요?
   A. S. 코롤레프;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. 원전의 신뢰성을 높이고 외부 환경의 오염을 방지하기 위해 어떤 방식이 가장 적절하다고 생각하시나요?
   가. 운영자의 의사와 관계없이 자동으로 노심을 냉각할 수 있는 원자로의 개발
   B. NPP 운영에 대한 이해도를 높이고 NPP 운영자의 전문적 준비 수준을 높입니다.
   B. 원자력 발전소 해체 및 방사성 폐기물 처리를 위한 고효율 기술 개발
   D. 지하 깊은 곳에 있는 원자로의 위치;
   D. 원자력 발전소 건설 및 운영을 거부합니다.
10. 원자력 발전소 운영과 관련된 환경 오염원은 무엇입니까?
    A. 우라늄 산업;
    B. 다양한 유형의 원자로;
    B. 방사성 화학 산업;
    D. 방사성 폐기물 처리 및 폐기 장소
    D. 국가 경제에서의 방사성 핵종 사용;
    E. 핵폭발.

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

6. 수업 요약.

오늘 수업에서 무엇을 새로 배웠나요?

수업의 어떤 점이 마음에 들었나요?

어떤 질문이 있나요?

수업에 참여해 주셔서 감사합니다!

현대사회에서 원자력의 중요성

원자력은 지난 수십 년 동안 큰 발전을 이루었으며 많은 국가에서 가장 중요한 전력원 중 하나가 되었습니다. 동시에, 이 국가 경제 부문의 발전 뒤에는 "평화로운 원자"가 수백만 명의 사람들에게 실질적인 위협이 됩니다. 모든 원자력 발전소의 실제 핵심은 원자로입니다.

원자로 생성의 역사

첫 번째 장치는 유명한 과학자이자 엔지니어인 E. Fermi가 미국에서 제2차 세계 대전이 한창일 때 제작되었습니다. 흑연블록을 겹겹이 쌓아놓은 듯한 특이한 모양 때문에 이 원자로는 시카고 스택(Chicago Stack)으로 불렸습니다. 이 장치는 블록 사이에 위치한 우라늄으로 작동한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

소련에서 원자로 건설

우리나라에서도 핵 문제에 대한 관심이 높아졌습니다. 과학자들의 주된 노력은 원자의 군사적 사용에 집중되었음에도 불구하고 얻은 결과를 평화적 목적을 위해 적극적으로 사용했습니다. F-1이라는 코드명으로 명명된 최초의 원자로는 1946년 12월 말 유명한 물리학자 I. 쿠르차토프(I. Kurchatov)가 이끄는 과학자 그룹에 의해 건설되었습니다. 중요한 단점은 냉각 시스템이 없다는 점이었습니다. 따라서 방출되는 에너지의 힘은 극히 미미했습니다. 동시에 소련 연구자들은 자신들이 시작한 작업을 완료했고, 그 결과 불과 8년 후 오브닌스크 시에 세계 최초의 원자력 발전소가 문을 열게 되었습니다.

원자로의 작동 원리

원자로는 매우 복잡하고 위험한 기술 장치입니다. 작동 원리는 우라늄이 붕괴되는 동안 여러 개의 중성자가 방출되어 이웃 우라늄 원자에서 기본 입자가 녹아웃된다는 사실에 기초합니다. 이 연쇄 반응은 열과 감마선의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출합니다. 동시에, 이 반응이 어떤 식으로든 제어되지 않으면 가능한 한 짧은 시간에 우라늄 원자의 핵분열이 바람직하지 않은 결과를 초래하는 강력한 폭발로 이어질 수 있다는 사실을 고려해야 합니다.

엄격하게 정의된 한계 내에서 반응이 진행되기 위해서는 원자로의 설계가 매우 중요합니다. 현재 이러한 각 구조는 냉각수가 흐르는 일종의 보일러입니다. 이 용량에는 일반적으로 물이 사용되지만 액체 흑연이나 중수를 사용하는 원자력 발전소도 있습니다. 수백 개의 특수 육각형 카세트가 없는 현대식 원자로를 상상하는 것은 불가능합니다. 여기에는 냉각수가 흐르는 채널을 통해 연료 생성 요소가 포함되어 있습니다. 이 카세트는 중성자를 반사하여 연쇄반응을 늦출 수 있는 특수층으로 코팅되어 있습니다.

원자로 및 그 보호

여러 수준의 보호 기능이 있습니다. 본체 자체 외에도 상단에는 특수 단열재와 생물학적 보호 장치가 덮여 있습니다. 엔지니어링 관점에서 볼 때 이 구조는 문이 최대한 단단히 닫혀 있는 강력한 철근 콘크리트 벙커입니다.

1948년 I.V. Kurchatov의 제안으로 원자력을 실제적으로 사용하여 전기를 생산하는 첫 번째 작업이 시작되었습니다. 5MW 용량을 갖춘 세계 최초의 산업용 원자력 발전소는 1954년 6월 27일 소련 칼루가(Kaluga) 지역에 위치한 오브닌스크(Obninsk) 시에서 가동되었습니다.

소련 이외의 지역에서는 46MW 용량의 최초 산업용 원자력 발전소가 1956년 영국 Calder Hall에서 가동되었습니다. 1년 후 미국 Shippingport에 60MW 규모의 원자력 발전소가 가동되었습니다.

세계 최대의 원자력 발전소 보유국은 미국이다. 총 용량이 약 100GW인 104개의 전력 장치가 작동 중입니다. 그들은 전기 생산량의 20%를 제공합니다.

프랑스는 원자력 발전소 사용에 있어서 세계 선두 국가입니다. 59개의 원자력 발전소는 전체 전력의 약 80%를 생산합니다. 더욱이 총 용량은 미국 용량보다 적습니다. 약 70GW입니다.

세계 원자로 수의 선두 주자 중에는 일본과 한국이라는 두 아시아 국가가 있습니다.

원자력 발전이 진행되는 동안 미국 스리마일 섬 원자력 발전소, 우크라이나 체르노빌 원자력 발전소, 일본 후쿠시마 1호 원자력 발전소에서 심각한 사고가 여러 차례 발생했습니다.

벨로루시 당국은 리투아니아 국경에서 수십 킬로미터 떨어진 그로드노 지역에 원자력 발전소를 건설할 계획이다. 이 스테이션에는 총 용량이 24,000MW에 달하는 두 개의 블록이 포함될 것입니다. 첫 번째는 2016년, 두 번째는 2018년에 가동될 예정이다.

연결

원자로

원자로제어된 핵분열 연쇄반응이 일어나는 원자로라고 부른다. 현재 사용되는 중성자의 에너지, 사용되는 핵연료의 유형, 원자로 노심의 구조, 감속재, 냉각제의 유형 등이 다른 다양한 출력의 다양한 유형의 원자로가 있습니다. 최초의 원자로는 E. Fermi의 지도 하에 1942년 12월 미국에서 건설되었습니다. 유럽에서는 최초의 원자로가 F-1 시설이었습니다. 1946년 12월 25일 모스크바에서 I.V. Kurchatov의 지휘 하에 발사되었습니다.

그림은 이중 회로 가압수형 원자로를 갖춘 원자력 발전소의 작동 다이어그램을 보여줍니다. 원자로 노심에서 방출된 에너지는 1차 냉각재로 전달됩니다. 다음으로, 냉각수는 열교환기(증기 발생기)로 들어가고, 여기서 2차 순환수를 가열하여 끓입니다. 생성된 증기는 발전기를 회전시키는 터빈으로 들어갑니다. 터빈 출구에서 증기는 응축기로 들어가고, 그곳에서 저수지에서 나오는 다량의 물에 의해 냉각됩니다.

느린 중성자로

열중성자에서 작동하는 원자로(속도는 2·10 3 m/s)는 다음과 같은 주요 부분으로 구성됩니다.

ㅏ) 핵분열성 물질, 우라늄(\(~^(233)_(92)U\) ,\(~^(235)_(92)U\)), 토륨(\(~^(232)_)의 동위원소로 사용됩니다. ( 90)Th\)) 또는 플루토늄 (\(~^(239)_(94)Pu\) , \(~^(240)_(94)Pu\) , \(~^(241)_(94 ) 푸\)); 비) 중성자 감속재, 이는 흑연, 중수 또는 일반 물이며; V) 중성자 반사경, 이는 일반적으로 중성자를 조절하는 것과 동일한 물질로 사용됩니다. G) 냉각수, 원자로 노심에서 열을 제거하도록 설계되었습니다. 물, 액체 금속 및 일부 유기 액체가 냉각제로 사용됩니다. 디) 제어봉; 이자형) 방사선 모니터링 및 생물학적 보호 시스템중성자 플럭스로 인한 환경 γ - 원자로 노심에서 발생하는 방사선.

우라늄은 내화성 화합물의 형태로 핵연료에 포함되어 있습니다. 그중에서도 화학적으로 불활성이고 최대 2800°C의 온도를 견딜 수 있는 이산화우라늄 U2O가 특히 인기가 높습니다. 이 세라믹으로 직경이 수 센티미터인 작은 정제가 만들어집니다. 생성된 핵연료는 소위 말하는 형태로 포장된다. 연료 요소(연료 요소), 그 중 하나의 구조가 그림 2에 나와 있습니다. 지르코늄 껍질은 우라늄 및 방사성 연쇄 반응 생성물을 외부 환경, 주로 냉각수와의 화학적 접촉으로부터 격리하는 역할을 합니다. 연료 요소는 열을 잘 전도하여 핵연료에서 냉각수로 열을 전달해야 합니다.

쌀. 2. 연료요소(연료봉)

반응이 필요한 것보다 적은 수의 중성자를 생성하면 연쇄 반응은 조만간 중단됩니다. 필요한 것보다 더 많은 중성자가 생성되면 핵분열 반응에 관여하는 우라늄 핵의 수가 기하급수적으로 증가합니다. 중성자 흡수율이 증가하지 않으면 통제된 반응이 핵폭발로 발전할 수 있습니다.

중성자 흡수 속도는 카드뮴, 하프늄, 붕소 또는 기타 물질로 만들어진 제어봉을 사용하여 변경할 수 있습니다(그림 3).

핵분열의 연쇄 반응 중에 원자로에서 방출되는 열은 10 MPa의 압력에서 물인 냉각수에 의해 제거되어 물이 끓지 않고 최대 270 ° C까지 가열됩니다. 다음으로, 물은 열교환기로 들어가 내부 에너지의 상당 부분을 2차 순환수로 전달하고 펌프의 도움으로 다시 원자로 노심으로 들어갑니다. 열 교환기의 2차 순환 물은 증기로 변환되어 발전기를 구동하는 증기 터빈으로 들어갑니다. 두 번째 회로는 첫 번째 회로와 마찬가지로 닫혀 있습니다. 터빈 이후에 증기는 응축기로 들어가고, 여기서 코일은 차가운 흐르는 물에 의해 냉각됩니다. 여기서 증기는 물로 바뀌고 펌프의 도움으로 다시 열교환기로 들어갑니다. 회로에서 물의 이동 방향은 열 교환기에서 두 회로의 물 흐름이 서로를 향해 이동하는 방향입니다. 1차 회로에서는 원자로 노심을 통과하는 물이 방사성이 되기 때문에 별도의 회로도 필요합니다. 두 번째 회로에서 증기와 물은 사실상 비방사성입니다.

연결

고속로

동위원소 \(~^(235)_(92)U\)의 함량이 크게 증가하는 우라늄을 핵 연료로 사용하는 경우 원자로는 방출되는 고속 중성자에 감속재를 사용하지 않고도 작동할 수 있습니다. 핵분열. 이러한 원자로에서는 연쇄반응 중에 방출된 중성자의 1/3 이상이 우라늄-238 동위원소의 핵에 흡수되어 우라늄-239 동위원소의 핵이 형성될 수 있다.

새로운 동위원소의 핵은 베타 방사성이다. 베타 붕괴의 결과로 주기율표의 93번째 원소인 넵투늄의 핵이 형성됩니다. 넵투늄 핵은 베타 붕괴를 통해 94번째 원소인 플루토늄의 핵으로 변환됩니다.

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

따라서 우라늄-238 동위원소의 핵은 중성자를 흡수한 후 자발적으로 플루토늄 동위원소 \(~^(239)_(94)Pu\)의 핵으로 변환됩니다.

플루토늄-239는 중성자와 상호작용하는 능력이 우라늄-235 동위원소와 매우 유사합니다. 중성자가 흡수되면 플루토늄 핵은 연쇄 반응의 발달을 지원할 수 있는 3개의 중성자를 분열하여 방출합니다. 결과적으로 고속 중성자 원자로는 우라늄-235 동위원소 핵분열의 연쇄 반응을 수행하기 위한 시설일 뿐만 아니라 동시에 널리 보급되고 상대적으로 저렴한 새로운 핵 연료인 플루토늄-239를 생산하기 위한 시설이기도 합니다. 우라늄-238 동위원소. 고속 중성자 원자로에서 1kg의 우라늄-235를 소비하면 1kg 이상의 플루토늄-239를 얻을 수 있으며, 이는 연쇄 반응을 수행하고 우라늄에서 새로운 부분의 플루토늄을 생산하는 데 사용될 수 있습니다.

따라서 고속 중성자 원자로는 발전소이자 ​​핵연료 증식형 원자로 역할을 동시에 수행할 수 있어 궁극적으로 희귀한 우라늄-235 동위원소뿐만 아니라 140배 더 많은 우라늄-238 동위원소도 사용할 수 있게 됩니다. 에너지 생산을 위해 자연이 풍부합니다.

연결

1. 고속 중성자로(BN 600)를 갖춘 원자력 발전소
2. 고속 중성자의 발라드: 벨로야르스크 원자력 발전소의 독특한 원자로

원자로의 목적

목적에 따라 원자로는 다음과 같은 유형으로 구분됩니다.

A) 연구 - 그들의 도움으로 과학적 목적을 위해 강력한 중성자 빔을 얻습니다. b) 에너지 - 산업 규모로 전기 에너지를 생산하도록 설계되었습니다. c) 지역난방 - 산업 및 지역난방에 필요한 열을 공급받습니다. d) 비옥한 - 우라늄 \(~^(238)_(92)U\) 및 토륨 \(~^(232)_(90)Th\) (94)Pu\) 및 우라늄에서 핵분열성 플루토늄 물질을 얻는 데 사용됩니다. \(~^(233)_(92)U\); e) 운송 - 선박 및 잠수함의 추진 시스템에 사용됩니다. f) 인공 방사능을 갖는 다양한 화학 원소의 동위원소를 산업적으로 생산하기 위한 원자로.

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원자력 발전소의 장점

원자력 발전소는 화석 연료를 사용하는 화력 발전소에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 소량의 연료 사용 및 처리 후 재사용 가능성: 천연 우라늄 1kg이 석탄 20톤을 대체합니다. 비교를 위해 2000MW 용량의 Troitskaya GRES만 하루에 2열차 분량의 석탄을 연소합니다.
• 원자력 발전소가 작동하는 동안 일정량의 이온화된 가스가 대기 중으로 방출되지만, 기존 화력 발전소는 연기와 함께 석탄의 자연적인 방사성 원소 함량으로 인해 훨씬 ​​더 많은 양의 방사선 방출을 방출합니다.
• 하나의 원자력 발전소 원자로에서 더 큰 전력을 얻을 수 있습니다(전력 단위당 1000-1600MW).

생태학적 문제

현대 원자력 발전소의 효율 계수는 약 30%입니다. 따라서 1000MW의 전력을 생산하려면 원자로의 화력이 3000MW에 도달해야 합니다. 2000MW는 응축기를 냉각하는 물에 의해 운반되어야 합니다. 이로 인해 천연 저수지가 국지적으로 과열되고 그에 따른 환경 문제가 발생하게 됩니다. 매우 중요한 임무는 원자력 발전소에서 일하는 사람들의 완전한 방사선 안전을 보장하고 원자로 노심에 대량으로 축적된 방사성 물질의 우발적인 방출을 방지하는 것입니다. 원자로를 개발할 때 이 문제에 많은 관심을 기울인다. 그러나 원자력은 다른 많은 산업과 마찬가지로 환경에 해롭고 위험한 영향을 미칩니다. 가장 큰 잠재적 위험은 방사능 오염입니다.

전 세계 원자력 발전소 운영 경험에 따르면 원자력 발전소가 정상적으로 운영되는 동안 생물권은 방사선 노출로부터 안정적으로 보호됩니다. 1986년 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 원자력 안전 문제는 더욱 심각해졌습니다. 체르노빌 원전 4호기 폭발은 인력 오류와 설계 결함으로 인한 원자로 노심 파괴 위험이 여전히 현실임을 보여줬다. 이러한 위험을 줄이려면 가장 엄격한 조치를 취해야 합니다.

방사성폐기물 처리와 노후원전 해체에는 복잡한 문제가 발생한다. 붕괴 생성물 중 가장 유명한 것은 스트론튬과 세슘입니다. 사용후핵연료 블록은 냉각되어야 한다. 사실은 방사성 붕괴 중에 너무 많은 열이 방출되어 블록이 녹을 수 있다는 것입니다. 또한 블록은 새로운 방사성 원소를 방출할 수 있습니다. 이러한 원소는 의학, 산업 및 과학 연구에서 방사능의 원천으로 사용됩니다. 다른 모든 핵폐기물은 격리되어 수년간 보관되어야 합니다. 몇 백 년 후에야 폐기물의 방사능이 감소하여 자연 배경과 비슷해집니다. 폐기물은 특수 용기에 담아 채굴된 광산이나 암석 틈에 묻습니다.

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산업용 원자로는 처음에는 핵무기를 보유한 국가에서만 개발되었습니다. 미국, 소련, 영국, 프랑스는 원자로에 대한 다양한 옵션을 적극적으로 모색하고 있었습니다. 그러나 이후 원자력 에너지에서는 세 가지 주요 유형의 원자로가 지배적으로 사용되기 시작했으며, 주로 연료, 노심의 필요한 온도를 유지하는 데 사용되는 냉각제, 붕괴 과정에서 방출되는 중성자의 속도를 줄이는 데 사용되는 감속재 등이 다릅니다. 연쇄반응을 유지하는데 필요하다.

그중 첫 번째(그리고 가장 일반적인) 유형은 냉각재와 감속재가 모두 일반 또는 "경수"(경수로)인 농축 우라늄 원자로입니다. 경수로에 대한 기본 점검은 두 가지가 있는데, 활성층(비등 원자로)에 PAP를 주입하는 펙터(pector)와 외부 또는 2차로 PAP를 추월하는 펙토(pectoP)가 있다. 열 교환기 및 paraductois P의 꽃차례와 관련됨, 아래 참조). 경수로 개발은 미군의 프로그램에 따라 시작됐다. 그리하여 1950년대 General Electric과 Westinghouse는 미 해군의 잠수함과 항공모함용 경수로를 개발했습니다. 이들 회사는 핵연료 재생 및 농축 기술 개발을 위한 군사 프로그램 실행에도 참여했습니다. 같은 10년 동안 소련은 흑연 감속재를 갖춘 비등수형 원자로를 개발했습니다.

실제 적용이 확인된 두 번째 유형의 원자로는 가스 냉각식 원자로(흑연 감속재 포함)입니다. 그 창조는 초기 핵무기 프로그램과도 밀접한 관련이 있습니다. 1940년대 후반과 1950년대 초반, 영국과 프랑스는 자체 원자폭탄을 만들기 위해 무기급 플루토늄을 매우 효율적으로 생산하고 천연 우라늄에서도 작동할 수 있는 가스 냉각식 원자로 개발에 중점을 두었습니다.

상업적으로 성공한 세 번째 유형의 원자로는 냉각재와 감속재를 모두 중수로 하고 연료도 천연 우라늄으로 만든 원자로입니다. 원자력 시대가 시작되면서 중수로의 잠재적 이점이 여러 국가에서 탐색되었습니다. 그러나 그러한 원자로의 생산은 부분적으로 광대한 우라늄 매장량 때문에 주로 캐나다에 집중되었습니다.

현재 세계에는 5가지 유형의 원자로가 있습니다. 이들은 VVER 원자로(수-물 에너지 원자로), RBMK(고출력 채널 원자로), 중수로, 가스 회로를 갖춘 볼 충전 원자로, 고속 중성자 원자로입니다. 각 유형의 원자로에는 다른 유형과 구별되는 설계 특징이 있지만, 물론 특정 설계 요소는 다른 유형에서 차용될 수 있습니다. VVER는 주로 구소련과 동유럽에서 건설되었으며, 러시아, 서유럽 및 동남아시아에는 RBMK형 원자로가 주로 미국에서 건설되었습니다.

VVER. VVER 원자로는 러시아에서 가장 일반적인 유형의 원자로입니다. 이들 원자로에 농축 우라늄을 사용할 필요성에도 불구하고, 여기에 사용되는 감속재 냉각재의 저렴한 비용과 상대적인 작동 안전성은 매우 매력적입니다. VVER 원자로의 이름에서 감속재와 냉각수는 모두 일반 경수라는 것을 알 수 있습니다. 4.5% 농축 우라늄이 연료로 사용된다.

RBMK. RBMK는 VVER와 약간 다른 원리로 구축되었습니다. 우선, 비등은 코어에서 발생합니다. 증기-물 혼합물은 원자로에서 나오며 분리기를 통과하여 원자로 입구로 돌아가는 물로 나뉘고 증기는 터빈으로 직접 이동합니다. 터빈에서 생성된 전기는 VVER 원자로에서와 마찬가지로 순환 펌프 작동에도 소비됩니다. 회로도는 그림 4에 나와 있습니다.

RBMK의 전력은 1000MW이다. RBMK 원자로를 갖춘 원자력 발전소는 원자력 산업에서 상당한 비중을 차지합니다. 따라서 Leningrad, Kursk, Chernobyl, Smolensk 및 Ignalina 원자력 발전소에는 이러한 시설이 갖추어져 있습니다.

다양한 유형의 원자로를 비교할 때 우리나라와 세계에서 이러한 장치의 가장 일반적인 두 가지 유형인 VVER와 RBMK에 초점을 맞추는 것이 좋습니다. 가장 근본적인 차이점은 다음과 같습니다. VVER - 압력 용기 반응기(압력은 반응기 용기에 의해 유지됨) RBMK – 채널 반응기(압력은 각 채널에서 독립적으로 유지됨) VVER에서 냉각수와 감속재는 동일한 물이며(추가 감속재는 도입되지 않음), RBMK에서는 감속재는 흑연이고 냉각수는 물입니다. VVER에서는 증기 발생기의 두 번째 본체에서 증기가 생성되고 RBMK에서는 증기가 원자로 노심(비등 원자로)에서 직접 생성되어 터빈으로 직접 이동합니다. 두 번째 회로가 없습니다. 활성 구역의 구조가 다르기 때문에 이들 원자로의 작동 매개변수도 다릅니다. 원자로 안전을 위해서는 다음 매개변수가 중요합니다. 반응성계수– 반응기의 하나 또는 다른 매개 변수의 변화가 연쇄 반응의 강도에 어떻게 영향을 미치는지 보여주는 값으로 비유적으로 표현할 수 있습니다. 이 계수가 양수이면 계수가 제공되는 매개변수가 증가하면 다른 영향이 없는 반응기의 연쇄 반응이 증가하고 결국 제어할 수 없게 되고 계단식으로 진행되는 것이 가능해집니다. 증가 - 원자로가 가속됩니다. 원자로가 가속되면 강렬한 열 방출이 발생하여 연료 노심이 녹고 노심 하부로 용융물이 흘러 원자로 용기가 파괴되고 방사성 물질이 핵으로 방출될 수 있습니다. 환경.

표 13은 RBMK 및 VVER에 대한 반응성 지표를 보여줍니다.

VVER 원자로에서는 노심에 증기가 나타나거나 냉각수 온도가 상승하여 밀도가 감소하고 중성자가 냉각수 분자 원자와 충돌하는 횟수가 감소하고 결과적으로 중성자의 조절이 감소합니다. 그 중 그들은 모두 다른 핵과 반응하지 않고 핵을 떠납니다. 원자로가 중지됩니다.

요약하면, RBMK 원자로는 연료 농축이 덜 필요하고 핵분열성 물질(플루토늄) 생산 능력이 더 뛰어나며 지속적인 작동 주기를 가지지만 작동 시 잠재적으로 더 위험합니다. 이러한 위험의 정도는 비상 보호 시스템의 품질과 운영 인력의 자격에 따라 달라집니다. 또한 2차 회로가 없기 때문에 RBMK는 작동 중 대기로 더 많은 방사선을 방출합니다.

중수로. 캐나다와 미국에서는 원자로 개발자들이 원자로에서 연쇄 반응을 유지하는 문제를 해결할 때 중수를 감속재로 사용하는 것을 선호했습니다. 중수는 흑연보다 중성자 흡수율이 매우 낮고 감속 특성이 매우 높습니다. 결과적으로 중수로는 농축되지 않은 연료로 작동하므로 복잡하고 위험한 우라늄 농축 공장을 건설할 필요가 없습니다.

볼베드 반응기. 볼로 채워진 원자로에서 노심은 구형 연료 요소가 부어지는 볼 모양입니다. 각 원소는 우라늄 산화물 입자가 산재된 흑연 구입니다. 가스는 반응기를 통해 펌핑되며 대부분 이산화탄소 CO2가 사용됩니다. 가스는 압력을 받아 코어에 공급된 후 열교환기로 들어갑니다. 원자로는 노심에 삽입된 흡수봉에 의해 조절됩니다.

고속 중성자로. 고속 중성자 원자로는 다른 모든 유형의 원자로와 매우 다릅니다. 주요 목적은 천연 우라늄 전체 또는 상당 부분과 기존 열화 우라늄 매장량을 연소할 목적으로 우라늄-238에서 핵분열성 플루토늄의 확장된 육종을 제공하는 것입니다. 고속 중성자로의 에너지 부문 개발로 원자력의 연료 자급자족 문제가 해결될 수 있습니다.

고속 중성자 원자로에는 감속재가 없습니다. 이와 관련하여 우라늄-235가 연료로 사용되는 것이 아니라 빠른 중성자에 의해 핵분열될 수 있는 플루토늄과 우라늄-238이 사용됩니다. 우라늄-238만으로는 제공할 수 없는 충분한 중성자 자속 밀도를 제공하려면 플루토늄이 필요합니다. 빠른 중성자에 대한 원자로의 열 방출은 느린 중성자에 대한 원자로의 열 방출보다 10~15배 높으므로 물(이러한 양의 전달 에너지를 단순히 처리할 수 없음) 대신 나트륨 용융물이 사용됩니다( 입구 온도는 370도이고 출구 온도는 550도입니다. 현재 고속 중성자로는 주로 설계의 복잡성과 구조 부품에 대해 충분히 안정적인 재료를 얻는 문제로 인해 널리 사용되지 않습니다. 러시아의 이러한 유형의 원자로 중 하나(Beloyarsk NPP)는 큰 미래를 가지고 있습니다.

요약하면 다음과 같이 말할 가치가 있습니다. VVER 원자로는 작동하기에 매우 안전하지만 고농축 우라늄이 필요합니다. RBMK 원자로는 올바르게 작동하고 보호 시스템이 잘 발달된 경우에만 안전하지만 저농축 연료나 VVER의 사용후 연료도 사용할 수 있습니다. 중수로는 모두에게 좋지만, 중수는 생산 비용이 너무 비쌉니다. 볼 충진 원자로 생산 기술은 아직 잘 개발되지 않았지만, 이러한 유형의 원자로는 특히 원자로 작동 시 치명적인 결과가 없기 때문에 널리 사용하기에 가장 적합한 것으로 인식되어야 합니다. 사고가 났습니다. 고속 중성자 원자로는 원자력 연료 생산의 미래입니다. 이러한 원자로는 핵 연료를 가장 효율적으로 사용하지만 설계가 매우 복잡하고 여전히 신뢰할 수 없습니다.