Ядерного реактора

А ядерного реактора это система, используемая для инициирования и сдерживания цепной ядерной реакции, и они имеют множество полезных применений. Эти ядерные реакции производят тепловую энергию за счет ядерного деления (на практике) или ядерного синтеза (в разработке).Ядерные реакторы в основном используются для выработки электроэнергии, однако их можно использовать для приведения в движение транспортных средств, таких как подводные лодки или военно-морские суда, для производства полезных изотопов или нейтронов, а также для исследований и обучения. [2] [3]

Ядерные реакторы можно найти по всему миру. Реакторы деления, используемые на атомных электростанциях, производят около 11% всей электроэнергии в мире. [4] Хотя существует множество различных конструкций реакторов деления, большинство из них состоит из одних и тех же компонентов для их работы. Разница между каждым типом реактора деления связана с различными подходами, используемыми для удовлетворения этих требований.

В этой статье в первую очередь будет обсуждаться ядерное деление из-за его текущего использования во всем мире. Если вы хотите прочитать о ядерном синтезе, посетите его страницу здесь.

Как они работают?

Основные принципы работы ядерного реактора для производства энергии следующие: цепные ядерные реакции внутри реактора производят тепло, которое передается теплоносителю (чаще всего это легкая вода), теплоноситель либо непосредственно кипит в пар, либо нагревает другой контур. воды превращается в пар, затем он проходит через турбину, которая вращает генератор и вырабатывает электричество. [2] Хотя основные принципы кажутся простыми, процесс довольно сложен.

Топливо

основная статья

Ядерные реакторы требуют использования ядерного топлива, элементов, которые можно легко изменить и которые будут выделять тепловую энергию. Уран является наиболее распространенным элементом, используемым в качестве ядерного топлива, хотя торий также возможен. Встречающиеся в природе изотопы обнаружены в таких странах, как Казахстан, Канада и Австралия. [5]

Урановое топливо изготавливается в виде небольших топливных таблеток, упаковывается в топливные стержни и окружено оболочкой, чтобы избежать утечки в теплоноситель. Эти топливные стержни собраны в топливный пучок, как показано ниже. В ядерном реакторе могут быть сотни топливных пучков, а значит, могут быть десятки тысяч топливных стержней. [3]

Ядерное топливо

Топливные стержни окружены охлаждающей жидкостью, чтобы избежать перегрева. [6]

Эти сборки используются в кипящих реакторах и реакторах с водой под давлением и помещаются в активную зону для получения тепла в ядерной реакции. [7]

Обогащение топлива

основная статья

Не все ядра данного элемента построены одинаково. Элемент определяется количеством протонов в ядре, и различное количество нейтронов в ядре может привести к тому, что он будет вести себя по-разному. Природный уран в основном состоит из урана-238 (99,3%), урана-235 (0,7%) и очень небольшого количества урана-234 (0,0055%). [8] Большинству реакторов требуется более высокий процент урана-235, чтобы поддерживать реакции ядерного деления, что можно осуществить с помощью процессов обогащения урана.

Модератор

основная статья

Замедлители используются для замедления нейтронов, образующихся при делении. Это необходимо, потому что многие виды ядерного топлива (например, уран-235) требуют, чтобы нейтроны были медленными, чтобы поглощать их. Ядра с низкими массовыми числами наиболее эффективны для этого, поэтому часто используются такие материалы, как вода или графит. [9]

В большинстве реакторов в качестве замедлителя используется легкая вода, например реакторы с водой под давлением и реакторы с кипящей водой. Углерод работает аналогично и используется в таких реакторах, как РБМК. Третий тип замедлителя, используемый в реакторах CANDU, представляет собой тяжелую воду, то есть воду, состоящую из тяжелого водорода, называемого дейтерием, а не из обычного водорода.

Приведенное ниже моделирование должно помочь визуализировать работу замедлителя: нейтроны, движущиеся слишком быстро, поглощаются ураном-238 и не вызывают деления (зеленый цвет), а замедлившиеся нейтроны поглощаются ураном-235, который распадается на более мелкие атомы и производит избыточные нейтроны для продолжения реакции (красный).

охлаждающая жидкость

Хладагент, как следует из его названия, используется для отвода тепла от активной зоны и перемещения его туда, где он полезен.[9] Это предохраняет топливо от перегрева и плавления, а также передает тепло воде для производства пара. Легкая вода, тяжелая вода и различные газы являются наиболее распространенными теплоносителями для ядерных реакторов. Хладагенты также могут служить замедлителем, как это имеет место во многих реакторах с водяным замедлителем.

Стержни управления

основная статья

Стержни управления могут быть вставлены в активную зону реактора, чтобы уменьшить количество топлива, которое подвергается реакциям деления. Стержни содержат атомы, поглощающие нейтроны, такие как гадолиний или кадмий. Поглощая нейтроны в активной зоне, он предотвращает реакцию этих нейтронов с топливом. Движение управляющего стержня можно использовать для регулировки количества реакций, происходящих в активной зоне, или полностью ввести его для полной остановки реактора.

Системы безопасности

Системы безопасности — это системы, предназначенные для остановки реактора и предотвращения выброса радиоактивных материалов. Некоторые системы являются пассивными, например, сбрасывание управляющих стержней в активную зону реактора в реакторах CANDU. Стержни управления подвешены над сердечником и удерживаются там электромагнитом (магнитом, для работы которого требуется постоянная подача электричества). В случае потери мощности регулирующие стержни работают на остановку реакций в активной зоне. Прочные защитные сооружения также должны окружать реактор, чтобы предотвратить любую утечку радиоактивных веществ или внешнее повреждение реактора. [10]

Другие системы безопасности требуют активации. Примером такой системы является выпуск большого количества воды вокруг активной зоны реактора. Это обеспечивает охлаждение активной зоны для рассеивания тепловой энергии и предотвращения расплавления.

экономика

Строительство ядерных реакторов является экономически емким. Первоначальные капитальные затраты высоки по сравнению с установками, работающими на ископаемом топливе, с аналогичной производительностью. Атомная энергетика требует высокой степени дополнительной безопасности и несет полную ответственность за все возможные ядерные отходы.Что делает ядерную энергетику экономически целесообразной, так это большое количество энергии, получаемое из небольшого объема топлива. Это соотношение известно как плотность энергии и обеспечивает экономическое преимущество использования ядерного топлива. Стоимость топлива для атомной электростанции относительно ниже по сравнению с ископаемым топливом. Именно это делает ядерные реакторы конкурентоспособными, несмотря на высокие первоначальные капитальные затраты.

Типы реакторов

Ядерная энергетика состоит из различных типов ядерных реакторов. Это включает:

• Реакторы CANDU
• Реакторы на быстрых нейтронах
• Ториевые реакторы
• Реакторы с кипящей водой
• Реакторы с водой под давлением / Призматические реакторы
• Реакторы на расплавленной соли
• Малые модульные реакторы
• Радиоизотопные тепловые генераторы
• Термоядерные реакторы
• РБМК
• Магнокс реакторы
• Реакторы с галечным слоем
• Сверхкритические водоохлаждаемые реакторы
• АЭС-2006/ВВЭР-1000
• ВХТР
• ВТГР
• Исследовательские реакторы

использованная литература

1. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Advanced_Test_Reactor.jpg
2. ↑ 2.02.1 Всемирная ядерная ассоциация. (2 июля 2015 г.). Ядерные реакторы [Онлайн], доступно: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Power-Reactors/Nuclear-Power-Reactors/
3. ↑ 3.03.1 Что такое ядерное?. (2 июля 2015 г.). Что такое ядерный реактор? [Онлайн], доступно: http://www.whatisnuclear.com/articles/nucreactor.html
4. ↑ IEA (2014), «Мировые энергетические балансы», IEA World Energy Statistics and Balances (база данных). DOI: http://dx.doi.org/10.1787/data-00512-en (по состоянию на февраль 2015 г.)
5. ↑ Всемирная ядерная ассоциация. (2 июля 2015 г.). Добыча урана [Онлайн], доступно: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Mining-of-Uranium/World-Uranium-Mining-Production/
6. ↑ Сделано внутри компании членом группы Energy Education. Адаптировано со страницы ядерных реакторов Что такое ядерный? Доступно: http://www.whatisnuclear.com/articles/nucreactor.html.
7. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Nuclear_fuel_element.jpg
8. ↑ Европейское ядерное общество.(25 июня 2015 г.). Природный уран [Онлайн], доступно: https://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/naturaluranium.htm
9. ↑ 9.09.1 ​​Дж. Р. Ламарш и А. Дж. Баратта «Компоненты ядерных реакторов». Введение в ядерную технику, 3-е изд., Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2001, глава 4, раздел 4, стр. 133–136.
10. ↑ Дж. Р. Ламарш и А. Дж. Баратта «Принципы безопасности атомных электростанций». Введение в ядерную технику, 3-е изд., Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2001, глава 11, раздел 3, стр. 623-630.