ядерный реактор — устройство, схема и принцип работы
Сегодня мы совершим небольшое путешествие в мир ядерной физики. Темой нашей экскурсии будет ядерный реактор. Вы узнаете, как он устроен, какие физические принципы лежат в основе его работы и где применяют это устройство.
Зарождение атомной энергетики
Первый в мире ядерный реактор был создан в 1942 году в США экспериментальной группой физиков под руководством лауреата нобелевской премии Энрико Ферми. Тогда же ими была осуществлена самоподдерживающаяся реакция расщепления урана. Атомный джин был выпущен на свободу.
Первый советский ядерный реактор был запущен в 1946 году, а спустя 8 лет дала ток первая в мире АЭС в городе Обнинске. Главным научным руководителем работ в атомной энергетике СССР был выдающийся физик Игорь Васильевич Курчатов.
С тех сменилось несколько поколений ядерных реакторов, но основные элементы его конструкции сохранились неизменными.
Анатомия атомного реактора
Эта ядерная установка представляет собой толстостенный стальной бак с цилиндрической ёмкостью от нескольких кубических сантиметров до многих кубометров.
Внутри этого цилиндра размещается святая святых — активная зона реактора. Именно здесь происходит цепная реакция деления ядерного топлива.
Рассмотрим, как происходит этот процесс.
Ядра тяжелых элементов, в частности Уран-235 (U-235), под действием небольшого энергетического толчка способны разваливаться на 2 осколка приблизительно равной массы. Возбудителем этого процесса является нейтрон.
Осколки чаще всего представляют собой ядра бария и криптона. Каждый из них несет положительный заряд, поэтому силы кулоновского отталкивания вынуждают их разлетаться в разные стороны со скоростью около 1/30 световой скорости. Эти осколки являются носителями колоссальной кинетической энергии.
Для практического использования энергии, необходимо, чтобы её выделение носило самоподдерживающийся характер.
Цепная реакция, о которой идёт речь, тем интересна, что каждый акт деления сопровождается испусканием новых нейтронов. На один начальный нейтрон в среднем возникает 2-3 новых нейтрона. Количество делящихся ядер урана лавинообразно нарастает, вызывая выделение огромной энергии. Если этот процесс не контролировать — произойдет ядерный взрыв. Он имеет место в атомных бомбах.
Чтобы регулировать число нейтронов в систему вводятся материалы, которые поглощают нейтроны, обеспечивая плавное выделение энергии. В качестве поглотителей нейтронов используют кадмий или бор.
Как же обуздать и использовать громадную кинетическую энергию осколков? Для этих целей служит теплоноситель, т.е. специальная среда, двигаясь в которой осколки тормозятся и нагревают её до чрезвычайно высоких температур. Такой средой может являться обычная или тяжелая вода, жидкие металлы (натрий), а также некоторый газы. Чтобы не вызвать переход теплоносителя в парообразное состояние, в активной зоне поддерживается высокое давление (до 160 атм).
По этой причине стенки реактора изготавливают из десятисантиметровой стали специальных сортов.
Если нейтроны вылетят за пределы ядерного топлива, то цепная реакция может прерваться. Поэтому существует критическая масса делящегося вещества, т.е. его минимальная масса, при которой, будет поддерживаться цепная реакция. Она зависит от различных параметров, в том числе и от наличия отражателя, окружающего активную зону реактора. Он служит для предотвращения утечки нейтронов в окружающую среду. Наиболее распространенным материалом для этого конструктивного элемента является графит.
Процессы, происходящие в реакторе, сопровождаются выделением самого опасного вида радиации – гамма излучения. Чтобы минимизировать эту опасность, в нём предусмотрена противорадиационная защита.
Как работает атомный реактор
В активной зоне реактора размещают ядерное горючее, именуемое ТВЭЛами. Они представляют собой таблетки, сформированные из расщепляемого материала и уложенные в тонкие трубки длиной около 3,5 м и диаметром в 10 мм.
Сотни однотипных топливных сборок размещают в активную зону, они и становятся источниками тепловой энергии, выделяемой в процессе цепной реакции. Теплоноситель, омывающий ТВЭЛы, образует первый контур реактора.
Нагретый до высоких параметров, он перекачивается насосом в парогенератор, где передает свою энергию воде второго контура, превращая её в пар. Полученный пар вращает турбогенератор. Вырабатываемая этим агрегатом электроэнергия передается потребителю. А отработанный пар, охлажденный водой из пруда–охладителя, в виде конденсата, возвращается в парогенератор. Цикл замыкается.
Такая двухконтурная схема работа ядерной установки исключает проникновение радиации, сопровождающей процессы, происходящие в активной зоне, за его пределы.
Итак, в реакторе происходит цепочка превращений энергии: ядерная энергия расщепляемого материала → в кинетическую энергию осколков → тепловую энергию теплоносителя → кинетическую энергию турбины → и в электрическую энергию в генераторе.
Неизбежные потери энергии приводят к тому, что КПД атомных электростанций сравнительно не велик 33-34%.
Кроме выработки электрической энергии на АЭС ядерные реакторы используют для получения различных радиоактивных изотопов, для исследований во многих областях промышленности, для изучения допустимых параметров промышленных реакторов. Всё более широкое распространение получают транспортные реакторы, обеспечивающие энергией двигатели транспортных средств.
Типы ядерных реакторов
Как правило, ядерные реакторы работают на уране U-235. Однако его содержание в природном материале чрезвычайно мало, всего 0,7%. Основную же массу природного урана составляет изотоп U-238. Цепную реакцию в U-235 могут вызвать лишь медленные нейтроны, а изотоп U-238 расщепляется только быстрыми нейтронами. В результате же расщепления ядра рождаются как медленные, так и быстрые нейтроны. Быстрые нейтроны, испытывая торможение в теплоносителе (воде), становятся медленным. Но количество изотопа U-235 в природном уране столь мало, что приходится прибегать к его обогащению, доводя его концентрацию до 3-5%.
Процесс этот весьма дорогой и экономически невыгоден. Кроме того время исчерпания природных ресурсов этого изотопа оценивается лишь 100-120 годами.
Поэтому в атомной промышленности происходит постепенный переход на реакторы, работающие на быстрых нейтронах.
Основное их отличие — в качестве теплоносителя используют жидкие металлы, которые не замедляют нейтроны, а в роли ядерного горючего используют U-238. Ядра этого изотопа через цепочку ядерных превращений переходят в Плутоний-239, который подвержен цепной реакции так же как и U-235. Т.е имеет место воспроизведение ядерного горючего, причём в количестве, превышающем его расход.
По оценке специалистов запасов изотопа Урана-238 должно хватить на 3000 лет. Этого времени вполне достаточно, чтобы у человечества хватило времени для разработки иных технологий.
Проблемы использования ядерной энергетики
Наряду с очевидными преимуществами ядерной энергетики, нельзя недооценивать масштаб проблем, связанных с эксплуатацией ядерных объектов.
Первая из них — это утилизация радиоактивных отходов и демонтированного оборудования атомной энергетики. Эти элементы обладают активным радиационным фоном, который сохраняется на протяжении длительного периода. Для утилизации этих отходов используют специальные свинцовые контейнеры. Их предполагается хоронить в районах вечной мерзлоты на глубине до 600 метров. Поэтому постоянно ведутся работы по поиску способа переработки радиоактивных отходов, что должно решить проблему утилизации и способствовать сохранению экологии нашей планеты.
Второй не менее тяжелой проблемой является обеспечение безопасности в процессе эксплуатации АЭС. Крупные аварии, подобные Чернобыльской, способны унести множество человеческих жизней и вывести из использования огромные территории.
Авария на японской АЭС «Фукусима-1» лишь подтвердила потенциальную опасность, которая проявляется при возникновении внештатной ситуации на ядерных объектах.
Однако возможности ядерной энергетики столь велики, что экологические проблемы уходят на второй план.
На сегодняшний день у человечества нет иного пути утоления всё нарастающего энергетического голода. Основой ядерной энергетики будущего, вероятно, станут «быстрые» реакторы с функцией воспроизводства ядерного топлива.
Автор: Драчёва Светлана Семёновна
ФОТО | Как работает АЭС и почему это всего лишь большой кипятильник для воды
Путь атома
26.05.2022, 13:55
Установка ядерного реактора финской АЭС Olkiluoto 3
ФОТО: – | Areva
Андрес Ингерман продолжает вести блог “Путь Атома” и рассказывать о том, что из себя представляют АЭС. Автор участвует в развитии проекта Эстонской АЭС с малым модульным реактором, так что это – ваша возможность получать информацию из первых рук!
На сегодня в мире работает 441 гражданский ядерный реактор.
Ядерный реактор как большой кипятильник для воды
Большая часть АЭС во всем мире работает по принципу нагрева воды. Внутрь реактора помещается ядерное топливо – урановые топливные гранулы. Внутри этих топливных гранул происходит реакция деления, в ходе которой выделяется тепло.
Выделяемое тепло нагревает воду, которая, превращаясь в водяной пар, вращает лопасти паровой турбины. Энергия вращения лопастей турбины передается генератору, преобразующему ее в электрический ток, который поступает в сеть.
I этап – Ядерная энергия переходит в тепловую
В ходе управляемой цепной реакции распада урана-235 выделяется огромное количество тепла, которое передается воде, превращая ее в водяной пар.
II этап – Тепловая энергия переходит в механическую
Нагретый водяной пар вращает лопасти паровой турбины.
III этап – Механическая энергия преобразуется в электрическую
Энергия вращения лопастей турбины сначала передается в генератор. Там она преобразуется в электричество, которое затем поступает в сеть и которым мы все пользуемся.
Схема работы атомной электростанции
1. Реактор (устройство, где происходит нагрев воды).
2. Стержни безопасности (в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции. Оно осуществляется опусканием в активную зону специальных стержней безопасности).
3. Ядерное топливо (топливные таблетки из диоксида урана).
4. Парогенератор (устройство, в котором вода превращается в пар. Существует отдельная разновидность реакторов, в которых вода преобразуется в пар непосредственно в реакторе).
5. Турбина высокого давления (внутри турбины разогретый водяной пар вращает лопасти).
6. Турбина низкого давления
7. Электрогенератор (устройство, в котором механическая энергия вращения турбины преобразуется в электричество).
8. Трансформатор
9. Конденсатор (устройство, где скапливается конденсированная вода, из которого она затем поступает обратно в систему нагрева).
10. Градирня (охлаждающая пар башня или труба).
Реактор
Ядерный реактор – это сердце АЭС, в нем происходит контролируемая ядерная реакция. В отношении реактора предъявляются самые строгие требования к качеству материалов и сборки.
Производство корпуса российского реактора ВВЭР – 1200 (Видео: Атомэнергомаш)
Паровая турбина низкого давления
Разогретый пар из реактора или парогенератора направляется в турбинный зал, где он раскручивает лопасти турбины. Технология турбин схожа с другими турбинами, устанавливаемыми на других тепловых электростанциях.
Генератор
Финальным агрегатом, где завершается преобразование энергии (из ядерной в тепловую, из тепловой в механическую, из механической в электрическую), является генератор. Отсюда электричество направляется в трансформатор, а затем – в сеть потребителям.
Первая паровая машина была построена в 17 веке, и за это время человечество совершило гигантский технологический рывок. Теперь мы греем воду для получения тепла и электричества ядерными реакторами. Но мы по-прежнему просто греем воду.
Оставить комментарий Читать комментарии
Как работает ядерная энергия
Что такое ядерная энергия?
Атомная энергия обеспечивает эффективное и надежное электроснабжение по всему миру. Сегодня более 400 коммерческих реакторов работают более чем в 30 странах.
Общее определение ядерной энергии – это энергия, высвобождаемая в результате цепной реакции, особенно при делении или синтезе. С практической точки зрения, ядерная энергетика использует топливо, изготовленное из добытого и переработанного урана, для получения пара и выработки электроэнергии.
Атомная генерация является единственным источником электроэнергии, который может производить постоянный источник электроэнергии, известный как мощность базовой нагрузки, надежно, без выбросов парниковых газов.
Атомная энергетика оказывает одно из самых низких воздействий на землю и природные ресурсы среди всех источников электроэнергии.
Атомная энергия в ОАЭ
В ОАЭ на атомной электростанции Барака, расположенной в регионе Аль-Дафра эмирата Абу-Даби, находятся четыре реактора. Каждый реактор рассчитан на производство 1400 мегаватт (МВт) электроэнергии с почти нулевым выбросом углерода.
Созданные для работы в течение 60 и более лет, эти реакторы обеспечат эффективную и надежную низкоуглеродную электроэнергию для будущих поколений. После выхода на полную мощность завод предотвратит выброс более 21 миллиона тонн парниковых газов в год. Это равносильно удалению с дорог ОАЭ 3,2 млн автомобилей-седанов.
В 2016 году ENEC учредила компанию Nawah Energy Company, которая отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание четырех реакторов в Бараке. По мере того, как команды ENEC и Nawah готовятся к переходу станции от строительного проекта к действующему объекту, они работают над тем, чтобы обеспечить ее соответствие самым высоким национальным и международным стандартам качества и извлечь выгоду из мирового опыта эксплуатации.
Как это работает?
Ядерный реактор производит электричество почти так же, как и другие электростанции. Цепная реакция производит энергию, которая превращает воду в пар. Давление пара приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество.
Разница в том, как создается тепло. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, сжигают уголь, нефть или природный газ для выработки тепла. На атомной электростанции тепло вырабатывается при расщеплении атомов — процесс, называемый ядерным делением.
- Ядерный реактор вырабатывает тепло, которое используется для производства пара
- Пар вращает турбину, соединенную с электромагнитом, называемым генератором
- Генератор производит электричество
В реакторе с водой под давлением (PWR) — тип реактора, строящегося в ОАЭ — высокое давление предотвращает кипение воды в корпусе реактора. Перегретая вода подается в парогенератор, состоящий из множества маленьких трубок.
Уран
Обогащенный уран является топливом для ядерных реакторов. Уран — широко распространенный естественно радиоактивный элемент, содержащийся в большинстве горных пород. Когда уран разлагается или распадается, он выделяет тепло внутри земной коры. Подобный процесс генерирует тепло внутри ядерного реактора.
Деление ядра
Деление — это процесс разделения ядра на две части.
Внутри каждой урановой топливной таблетки находятся миллионы ядер урана. Когда эти ядра расщепляются, высвобождается огромное количество энергии. Часть этой энергии исходит от излучения, но самым большим источником является кинетическая энергия.
Это энергия, которая производит тепло внутри реактора, которое, в свою очередь, используется для производства пара и, в конечном итоге, вырабатывает электричество.
Факты со всего мира
Вот уже более 60 лет ядерная энергетика обеспечивает мир надежной электроэнергией. Сегодня более 400 реакторов работают более чем в 30 странах мира.
Эти электростанции производят около 10 процентов электроэнергии в мире, не выделяя при этом парниковых газов.
Все больше стран изучают возможности использования ядерной энергии, особенно по мере роста спроса на электроэнергию и роста опасений по поводу изменения климата.
Для получения дополнительной информации посетите следующие интернет-ресурсы:
Международное агентство по атомной энергии
Всемирная ядерная ассоциация (WNA)
Всемирная ассоциация операторов атомных станций
Институт ядерной энергии (NEI)
Атомные электростанции – Управление энергетической информации США (EIA)
Атомная энергия получается из ядерного деления
Атомные электростанции нагревают воду для производства пара.
Пар используется для вращения больших турбин, вырабатывающих электроэнергию. Атомные электростанции используют тепло, выделяющееся при ядерном делении, для нагрева воды.
При делении ядер атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Деление происходит внутри реактора атомной электростанции. В центре реактора находится активная зона, содержащая урановое топливо.
Урановое топливо формуется в керамические таблетки. Каждая керамическая гранула производит примерно такое же количество энергии, как 150 галлонов нефти. Эти богатые энергией гранулы уложены встык в 12-футовые металлические топливные стержни. Связка топливных стержней, некоторые из которых состоят из сотен стержней, называется тепловыделяющей сборкой. Активная зона реактора содержит множество тепловыделяющих сборок.
Тепло, выделяющееся при делении ядер в активной зоне реактора, используется для кипячения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины. Когда лопасти турбины вращаются, они приводят в действие генераторы, вырабатывающие электричество.
Атомные станции охлаждают пар обратно в воду в отдельной конструкции на электростанции, называемой градирней, или используют воду из прудов, рек или океана. Затем охлажденная вода повторно используется для производства пара.
ты знал
?
Ядерные реакторы в Соединенных Штатах могут иметь большие бетонные купола, закрывающие реакторы, которые необходимы для сдерживания аварийных выбросов радиации. Не на всех атомных электростанциях есть градирни. Некоторые атомные электростанции используют для охлаждения воду из озер, рек или океана.
Защитная оболочка ядерного реактора
Источник: Стоковая фотография (защищено авторским правом)
Атомные электростанции вырабатывают около 20% электроэнергии США с 1990 г. заводы в 28 штатах. Тридцать две станции имеют два реактора, а три станции имеют три реактора. С 1990 года атомные электростанции поставляют около 20 % от общего годового объема электроэнергии в США. Узнайте больше об атомной энергетике США.
Соединенные Штаты производят больше ядерной энергии, чем любая другая страна
В 2020 году в 33 странах были коммерческие атомные электростанции, и в 17 странах ядерная энергия обеспечивала не менее 20% их общего годового производства электроэнергии. У Соединенных Штатов были самые большие мощности по производству ядерной электроэнергии, и они произвели больше ядерной электроэнергии, чем любая другая страна. Франция, обладающая второй по величине ядерной мощностью производства электроэнергии и вторым по величине производством ядерной электроэнергии, имела наибольшую долю – около 69% — от общего годового производства электроэнергии на атомной энергетике.
Пять крупнейших стран по производству электроэнергии на АЭС, 2020 г.
| Страна | Мощность производства атомной электроэнергии (млн. киловатт) | Производство электроэнергии на АЭС (млрд. киловатт-часов) | Доля атомной энергетики в общем производстве электроэнергии в стране |
|---|---|---|---|
| США | 96. |