Что такое ядерный реактор?

Ядерный реактор — это система, которая содержит и контролирует устойчивые цепные ядерные реакции. Реакторы используются для выработки электроэнергии, перемещения авианосцев и подводных лодок, производства медицинских изотопов для визуализации и лечения рака, а также для проведения исследований.

Топливо, состоящее из тяжелых атомов, которые расщепляются при поглощении нейтронов, помещается в корпус реактора (по сути, большой бак) вместе с небольшим источником нейтронов. Нейтроны запускают цепную реакцию, в которой каждый атом, который расщепляется, высвобождает больше нейтронов, которые вызывают расщепление других атомов. Каждый раз, когда атом распадается, он выделяет большое количество энергии в виде тепла. Тепло от реактора отводится теплоносителем, которым чаще всего является обычная вода. Охлаждающая жидкость нагревается и уходит в турбину, чтобы раскрутить генератор или приводной вал. Ядерные реакторы — это всего лишь экзотические источники тепла.

На этой странице

• Компоненты ядерных реакторов
• Система анимированных реакторов
• Ядерное ядро
• Типы ядерных реакторов

Основные компоненты

• Ядро реактора содержит все ядерное топливо и производит все тепло. Содержит низкообогащенный уран (
• охлаждающая жидкость это материал, который проходит через активную зону, передавая тепло от топлива к турбине. Это может быть вода, тяжелая вода, жидкий натрий, гелий или что-то еще. В парке энергетических реакторов США стандартом является вода.
• Турбина передает тепло от хладагента к электричеству, как на заводе, работающем на ископаемом топливе.
• Сдерживание это конструкция, отделяющая реактор от окружающей среды. Обычно они имеют куполообразную форму, изготовлены из железобетона высокой плотности. В Чернобыле не было защитной оболочки, о которой можно было бы говорить.
• Градирни необходимы некоторым растениям для сброса избыточного тепла, которое не может быть преобразовано в энергию по законам термодинамики. Это гиперболические символы ядерной энергии. Они выделяют только чистый водяной пар.

Диспетчерская

Система анимированных реакторов

На изображении выше (воспроизведенном из NRC) показан ядерный реактор, нагревающий воду и вращающий генератор для производства электроэнергии. Он хорошо отражает суть системы. Вода, поступающая в конденсатор, а затем выходящая обратно, будет водой из реки, озера или океана.Он выходит из градирен. Как видите, эта вода не идет рядом с той радиоактивностью, которая находится в корпусе реактора.

Топливные стержни

Наименьшим узлом реактора является твэл. Обычно это оксид урана (UO₂), но может принимать и другие формы, включая торийсодержащий материал. Их часто окружают металлической трубкой (называемой оболочкой), чтобы продукты деления не попадали в теплоноситель.

ТВС

ТВС представляют собой пучки твэлов. Топливо загружается и вывозится из реактора в сборках. В узлах есть некоторый конструкционный материал, который удерживает штифты близко, но не соприкасаются, так что остается место для охлаждающей жидкости.

Полное ядро

Это полноценное ядро, состоящее из нескольких сотен сборок. Некоторые узлы являются узлами управления. Различные тепловыделяющие сборки вокруг активной зоны содержат разное топливо. Они различаются по обогащению и возрасту, среди других параметров. Сборки также могут различаться по высоте, с разным обогащением в верхней части активной зоны и в нижней части.

Типы реакторов

Существует множество различных форм ядерного топлива, и в ядерном реакторе можно использовать охлаждающие материалы. В результате существуют тысячи различных возможных конструкций ядерных реакторов. Здесь мы обсудим несколько проектов, которые были созданы ранее, но не ограничивайте свое воображение; возможны более миллиона других конструкций реакторов. Придумай свое! Или, для развлечения, вы можете попробовать наш генератор случайных концепций реактора или просмотреть список из более чем миллиона вариантов.

Реактор с водой под давлением

Самый распространенный тип реактора. PWR использует обычную старую воду в качестве охлаждающей жидкости. Первичная охлаждающая вода находится под очень высоким давлением, поэтому она не кипит. Он проходит через теплообменник, передавая тепло вторичному контуру хладагента, который затем вращает турбину. В них используются оксидные топливные таблетки, уложенные в циркониевые трубки. Возможно, они также могли бы сжигать ториевое или плутониевое топливо.

Плюсы:

• Сильный отрицательный коэффициент пустотности — реактор остывает, если вода начинает пузыриться, потому что теплоноситель является замедлителем, который необходим для поддержания цепной реакции.
• Вторичный контур защищает турбины от радиоактивных материалов, что упрощает техническое обслуживание.
• Был накоплен очень большой опыт эксплуатации, а конструкции и процедуры были в значительной степени оптимизированы.

Минусы:

• Хладагент под давлением быстро вытекает в случае разрыва трубы, что требует множества резервных систем охлаждения.
• Не может производить новое топливо — уязвим к «дефициту урана».

Реактор с кипящей водой

Второй по распространенности, BWR во многом похож на PWR. Однако они имеют только один контур охлаждающей жидкости. Горячее ядерное топливо кипятит воду, когда она выходит из верхней части реактора, где пар направляется к турбине, чтобы раскрутить ее.

Плюсы:

• Простая сантехника снижает затраты
• Уровни мощности можно увеличить, просто ускорив работу струйных насосов, давая меньше кипяченой воды и больше умеренности. Таким образом, отслеживание нагрузки является простым и легким.
• Был накоплен очень большой опыт эксплуатации, а конструкции и процедуры были в значительной степени оптимизированы.

Минусы:

• При наличии в системе жидкой и газообразной воды возможно множество странных переходных процессов, что затрудняет анализ безопасности.
• Теплоноситель первого контура находится в непосредственном контакте с турбинами, поэтому в случае течи твэла на турбину может попасть радиоактивный материал. Это усложняет техническое обслуживание, так как персонал должен быть одет для радиоактивных сред.
• Не может производить новое топливо — уязвим к «дефициту урана»
• Обычно не очень хорошо работает в случае отключения электроэнергии на станции, как на Фукусиме.

Канадские дейтериево-урановые реакторы (CANDU)

CANDU — это канадский дизайн, который можно найти в Канаде и во всем мире. Они содержат тяжелая вода, где водород в H2O имеет дополнительный нейтрон (что делает его дейтерием вместо водорода). Дейтерий поглощает намного меньше нейтронов, чем водород, и CANDU могут работать, используя только природный уран вместо обогащенного.

Плюсы:

• Требуют очень небольшого обогащения урана.
• Можно заправлять во время работы, сохраняя высокий коэффициент мощности (пока не сломаются машины для обработки топлива).
• Они очень гибкие и могут использовать любой вид топлива.

Минусы

• Некоторые варианты имеют положительные температурные коэффициенты охлаждающей жидкости, что вызывает проблемы с безопасностью.
• Поглощение нейтронов дейтерием приводит к образованию трития, который является радиоактивным и часто вытекает в небольших количествах.
• Теоретически может быть модифицирован для производства оружейного плутония немного быстрее, чем обычные реакторы.

Смотрите также

• CANTEACH — наиболее полная общедоступная образовательная и справочная библиотека по технологии CANDU.

Быстрый реактор с натриевым охлаждением

Эти реакторы охлаждаются жидким металлическим натрием. Натрий тяжелее водорода, что приводит к тому, что нейтроны движутся с большей скоростью (отсюда быстро). Они могут использовать металлическое или оксидное топливо и сжигать самые разные виды топлива.

Плюсы:

• Может производить собственное топливо, эффективно устраняя любые опасения по поводу нехватки урана (видите, что такое быстрый реактор?)
• Может сжигать собственные отходы
• Металлическое топливо и отличные тепловые свойства натрия позволяют вести пассивную безопасную эксплуатацию — реактор безопасно остановится без работы каких-либо резервных систем (или людей вокруг), полагаясь только на физику.

Минусы:

• Натриевый хладагент вступает в реакцию с воздухом и водой. Таким образом, протечки в трубах приводят к возгоранию натрия. Их можно спроектировать, но это серьезный недостаток для этих реакторов.
• Для полного сжигания отходов требуются установки по переработке, которые также можно использовать для распространения ядерного оружия.
• Избыточные нейтроны, используемые для придания реактору способности использовать ресурсы, могут быть тайно использованы для производства плутония для оружия.
• Положительные паровые коэффициенты присущи большинству быстрых реакторов, особенно крупных. Это забота о безопасности.
• Опыта эксплуатации накоплено не так много. У нас есть только около 300 реакторо-лет опыта с реакторами с натриевым теплоносителем.

Реактор с расплавленной солью

Обновлять! Теперь есть целая страница с подробным обсуждением MSR. Реактор на расплавленной соли (MSR) — любимый реактор в Интернете. Пока они уникальны тем, что используют жидкое топливо.

Плюсы:

• Может постоянно разводить новое топливо, избавляя от беспокойства по поводу энергоресурсов.
• Может отлично использовать торий, ядерное топливо, альтернативное урану.
• Может поддерживаться в режиме онлайн с удалением продуктов химического деления, что устраняет необходимость останова во время дозаправки.
• Отсутствие оболочки означает меньше материала, поглощающего нейтроны, в активной зоне, что приводит к повышению нейтронной эффективности и, следовательно, более высокому использованию топлива.
• Жидкое топливо также означает, что структурная доза не ограничивает срок службы топлива, позволяя реактору извлекать очень много энергии из загруженного топлива.

Минусы:

• Радиоактивные газообразные продукты деления не содержатся в маленьких стержнях, как в типичных реакторах. Так что, если есть нарушение условий содержания, все газы деления могут выйти, а не только газы из одной крошечной булавки. Это требует таких вещей, как тройная избыточность и т. д., и с этим можно справиться.
• Наличие онлайновой установки по переработке с поступающим предварительно расплавленным топливом вызывает озабоченность с точки зрения распространения. Оператор мог отклонить Ра-233, чтобы обеспечить небольшой поток почти чистого оружейного U-233. Кроме того, весь запас урана можно разделить без особых усилий. В своей автобиографии Элвин Вайнберг объясняет, как это было сделано в Окриджской национальной лаборатории: «Это был выдающийся подвиг! Всего за 4 дня все 218 кг урана в реакторе были отделены от высокорадиоактивных продуктов деления, и его радиоактивность уменьшилась в пять миллиардов раз».
• Очень небольшой опыт эксплуатации, хотя в 1960-х годах успешно эксплуатировался испытательный реактор.

Высокотемпературный реактор с газовым охлаждением

В HTGR используются небольшие гранулы топлива, заключенные либо в шестиугольные компакты, либо в более крупные камешки (в конструкциях с призматическим и галечным слоем). Газ, такой как гелий или двуокись углерода, быстро пропускают через реактор для его охлаждения.Из-за малой удельной мощности эти реакторы рассматриваются как перспективные для использования ядерной энергии помимо электричества: на транспорте, в промышленности и в бытовых режимах. Они не особенно хороши только в производстве электроэнергии.

Плюсы:

• Может работать при очень высоких температурах, что приводит к большому тепловому КПД (около 50%!)
• Каждый маленький кусочек топлива имеет свою собственную защитную структуру, добавляя еще один барьер между радиоактивным материалом и окружающей средой.

Минусы:

• У высокой температуры есть и плохая сторона. Трудно найти материалы, которые могут оставаться структурно прочными при высоких температурах и при большом количестве нейтронов, пролетающих через них.
• Если газ перестает поступать, реактор очень быстро нагревается. Необходимы резервные системы охлаждения.
• Газ — плохой хладагент, требующий большого количества хладагента для относительно небольшой мощности. Следовательно, эти реакторы должны быть очень большими, чтобы производить мощность на уровне других реакторов.
• Не такой большой опыт эксплуатации