Принцип работы атомного реактора аэс: Как работает атомная станция? — Атомэнергомаш

Ядерный реактор — принцип работы, устройство, схема

Принцип работы ядерного реактора

Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:

Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.

Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.

Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.

Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Деление урана

Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.

Результаты деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.

Управляемая ядерная реакция

Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.

Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!

Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H₂O) или тяжелую (D₂O).

Оказывается…

На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.

Техническая реализация

Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.

Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.

АЭС

Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.

А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.

В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉

Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.

Чернобыльская АЭС

Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.

Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.

В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Шок-контент 😱

Ядерная энергия — самый экологически чистый вид энергии на сегодняшний день.

Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.

Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.

В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.

Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.

Виды современных реакторов

Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:

• в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
• в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.

Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.

Использование атомной энергии

Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.

В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.

Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.

Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики

Что есть что в ядерной сфере

03.11.2021

Андреа Галиндо, Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ

Ядерная энергия представляет собой разновидность энергии, которая высвобождается из ядра — центральной части атомов, состоящей из протонов и нейтронов. Источником этой энергии могут являться два физических процесса: деление, когда ядра атомов распадаются на несколько частей, и синтез, когда ядра сливаются вместе.

Ядерная энергия, используемая сегодня во всем мире для производства электроэнергии, вырабатывается посредством деления ядра, в то время как технология производства электроэнергии на основе синтеза пока еще находится на этапе исследований и экспериментальных разработок. В этой статье мы подробнее остановимся на делении ядра. Узнать больше о ядерном синтезе вы можете из этой статьи.

Что такое ядерное деление?

Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.

Например, ядро атома урана-235, при попадании в него нейтрона, расщепляется на ядро бария и ядро криптона и еще два или три нейтрона. Эти дополнительные нейтроны соударяются с другими находящимися вокруг ядрами урана-235, которые также расщепляются и порождают дополнительные нейтроны с эффектом многократного увеличения, в результате чего за долю секунды формируется цепная реакция.

Каждый раз такая реакция сопровождается высвобождением энергии в виде тепла и излучения. Подобно тому, как для получения электроэнергии используется тепло от ископаемых видов топлива, таких как уголь, газ и нефть, на атомной электростанции эта тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию.

Ядерная реакция деления (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Как работает атомная электростанция?

В реакторе атомной электростанции с помощью соответствующего оборудования локализуется и контролируется цепная ядерная реакция, чаще всего с использованием топлива на основе урана-235, в результате деления которого вырабатывается тепло. Это тепло используется для нагрева теплоносителя реактора, как правило, воды, чтобы получить пар. Затем пар направляется на турбины, заставляя их вращаться и активируя электрический генератор, что позволяет вырабатывать электроэнергию без выбросов углекислого газа.

Подробнее о различных типах ядерных энергетических реакторов читайте на этой странице.

Наибольшее распространение в мире получили реакторы с водой под давлением (PWR). (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Добыча, обогащение и утилизация урана

Уран — это металл, который встречается в горных породах по всему миру. Уран имеет несколько природных изотопов, которые представляют собой формы элемента, отличающиеся по массе и физическим свойствам, но с одинаковыми химическими свойствами. Уран имеет два первичных изотопа: уран-238 и уран-235. На уран-238 приходится большая часть урана в мире, но он не способен вступать в цепную реакцию деления, в то время как уран-235 может использоваться для получения энергии в результате деления, но составляет менее 1 процента от мировых запасов урана.

Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. После обогащения урана он может эффективно использоваться на протяжении трех-пяти лет в качестве ядерного топлива на АЭС, после чего он все еще остается радиоактивным и должен утилизироваться в соответствии со строгими нормативными требованиями по защите людей и окружающей среды. Использованное топливо, так называемое отработавшее топливо, может также быть переработано в другие виды топлива, которые могут применяться в качестве нового топлива для специальных АЭС.

Что такое ядерный топливный цикл?

Ядерный топливный цикл — это включающий несколько этапов производственный процесс, необходимый для выработки электроэнергии с использованием урана в ядерных энергетических реакторах. Этот цикл начинается с добычи урана и завершается захоронением радиоактивных отходов.

Ядерные отходы

В процессе эксплуатации АЭС образуются отходы с различным уровнем радиоактивности. В зависимости от уровня радиоактивности и конечной цели применяются разные стратегии обращения с ними. Более подробную информацию по этой теме вы найдете в представленном ниже анимированном ролике.

Обращение с радиоактивными отходами

На радиоактивные отходы приходится небольшая доля общего объема отходов. Это побочный продукт миллионов медицинских процедур, проводимых каждый год, промышленных и сельскохозяйственных применений излучения и работы ядерных реакторов, которые производят около 10 процентов электричества в мире. В анимационном видео рассказывается о том, как осуществляется обращение с радиоактивными отходами, чтобы обеспечить защиту людей и окружающей среды от излучения сегодня и в будущем.

При работе следующего поколения АЭС на основе так называемых инновационных усовершенствованных реакторов будет образовываться гораздо меньше ядерных отходов, чем от сегодняшних реакторов. Ожидается, что строительство таких станций начнется ближе к 2030 году.

Ядерная энергетика и изменение климата

Ядерная энергия является низкоуглеродным источником энергии, поскольку, в отличие от электростанций, работающих на угле, нефтепродуктах или природном газе, атомные электростанции во время своей работы практически не производят CO₂. Атомные электростанции используются для генерации почти трети мировой безуглеродной электроэнергии и имеют решающее значение для достижения целей в области борьбы с изменением климата.

Подробнее о ядерной энергетике и переходе к экологически чистой энергии читайте в этом выпуске Бюллетеня МАГАТЭ.

Какую роль играет МАГАТЭ?

• МАГАТЭ устанавливает международные нормы и руководящие принципы безопасного и надежного использования ядерной энергии для защиты людей и окружающей среды и способствует проведению их в жизнь.
• МАГАТЭ поддерживает существующие и новые ядерно-энергетические программы по всему миру, предлагая техническую помощь и услуги по управлению знаниями. Следуя веховому подходу, МАГАТЭ предоставляет необходимые технические знания и рекомендации странам, которые выводят свои ядерные объекты из эксплуатации.
• В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения ядерных материалов и технологий с мирного использования на другие цели.
• Методическую основу для организации необходимой деятельности в течение всего жизненного цикла производства ядерной энергии, от добычи урана до сооружения, технического обслуживания и вывода из эксплуатации атомных электростанций и обращения с ядерными отходами, обеспечивают миссии по экспертной оценке и консультационные услуги под руководством МАГАТЭ.
• Под управлением МАГАТЭ находится запас низкообогащенного урана (НОУ) в Казахстане, который может использоваться в случае крайней необходимости странами, срочно нуждающимися в поставках НОУ для мирных целей.

Ресурсы по теме

03.11.2021

NUCLEAR 101: Как работает ядерный реактор?

Офис
Ядерная энергия

29 марта 2021 г.

Ядерные реакторы — сердце атомной электростанции.

Они содержат и контролируют цепные ядерные реакции, которые производят тепло посредством физического процесса, называемого делением. Это тепло используется для производства пара, который вращает турбину для выработки электроэнергии.

Имея более 440 коммерческих реакторов по всему миру, в том числе 92 в Соединенных Штатах, атомная энергетика продолжает оставаться одним из крупнейших доступных источников надежной безуглеродной электроэнергии.

Ядерное деление создает тепло

Основная задача реактора — поддерживать и контролировать ядерное деление — процесс, в котором атомы расщепляются и высвобождают энергию.

Деление и синтез: в чем разница?

Реакторы используют уран в качестве ядерного топлива. Уран перерабатывается в небольшие керамические гранулы и укладывается в герметичные металлические трубки, называемые топливными стержнями. Как правило, более 200 таких стержней связываются вместе, образуя топливную сборку. Активная зона реактора обычно состоит из пары сотен сборок, в зависимости от уровня мощности.

Внутри корпуса реактора топливные стержни погружены в воду, которая действует как теплоноситель и замедлитель. Замедлитель помогает замедлить нейтроны, образующиеся при делении, чтобы поддерживать цепную реакцию.

Затем в активную зону реактора можно вставить управляющие стержни, чтобы уменьшить скорость реакции, или вынуть, чтобы увеличить ее.

Тепло, создаваемое ядерным делением, превращает воду в пар, который вращает турбину для производства безуглеродного электричества.

Типы легководных реакторов в США       

Все коммерческие ядерные реакторы в США являются легководными реакторами. Это означает, что они используют обычную воду в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов.

В Америке работают два типа легководных реакторов.

Реакторы с водой под давлением

Графика Сары Харман | Министерство энергетики США

Более 65% коммерческих реакторов в США являются водо-водяными реакторами или PWR. Эти реакторы закачивают воду в активную зону реактора под высоким давлением, чтобы вода не закипела.

Вода в активной зоне нагревается за счет ядерного деления, а затем перекачивается в трубы внутри теплообменника. Эти трубки нагревают отдельный источник воды для создания пара. Затем пар вращает электрический генератор для производства электроэнергии.

Вода в активной зоне возвращается в реактор для повторного нагрева, и процесс повторяется.

Реакторы с кипящей водой

Графика Сары Харман | Министерство энергетики США

Примерно треть реакторов, работающих в США, являются реакторами с кипящей водой (BWR).

BWR нагревают воду и производят пар непосредственно внутри корпуса реактора. Вода прокачивается через активную зону реактора и нагревается за счет деления. Затем трубы подают пар непосредственно в турбину для производства электроэнергии.

Неиспользованный пар затем конденсируется обратно в воду и повторно используется в процессе нагрева.

Подписывайтесь на нас

ядерный реактор

| Определение, история и компоненты

ядерный реактор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Вернер Гейзенберг
Игорь Васильевич Курчатов
Хайман Дж. Риковер
Ирен Жолио-Кюри
Фредерик Жолио-Кюри

Связанные темы:

термоядерный реактор
реактор-размножитель
ЗОЭ
экранирование
ядерное топливо

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

ядерный реактор , любое из класса устройств, которые могут инициировать и контролировать самоподдерживающуюся серию ядерных делений. Ядерные реакторы используются в качестве исследовательских инструментов, в качестве систем для производства радиоактивных изотопов и, прежде всего, в качестве источников энергии для атомных электростанций.

Принцип работы

Ядерные реакторы работают по принципу ядерного деления, процесса, при котором тяжелое атомное ядро ​​расщепляется на два меньших фрагмента. Ядерные фрагменты находятся в очень возбужденном состоянии и испускают нейтроны, другие субатомные частицы и фотоны. Испущенные нейтроны могут затем вызвать новые деления, которые, в свою очередь, дадут больше нейтронов и так далее. Такая непрерывная самоподдерживающаяся серия делений представляет собой цепную реакцию деления. При этом выделяется большое количество энергии, и эта энергия является основой ядерных энергетических систем.

В атомной бомбе цепная реакция предназначена для увеличения интенсивности до тех пор, пока большая часть материала не расщепится. Это увеличение происходит очень быстро и приводит к чрезвычайно быстрым, чрезвычайно энергичным взрывам, характерным для таких бомб. В ядерном реакторе цепная реакция поддерживается на контролируемом, почти постоянном уровне. Ядерные реакторы устроены так, что они не могут взорваться, как атомные бомбы.

Большая часть энергии деления — примерно 85 процентов — высвобождается в течение очень короткого времени после того, как процесс произошел. Остальная часть энергии, произведенной в результате события деления, поступает от радиоактивного распада продуктов деления, которые представляют собой осколки деления после того, как они испустили нейтроны. Радиоактивный распад — это процесс, при котором атом достигает более стабильного состояния; процесс распада продолжается даже после прекращения деления, и его энергия должна учитываться в любой правильной конструкции реактора.

Britannica Quiz

Знаете ли вы, какой афроамериканский изобретатель создал какой продукт?

Кто изобрел противогаз? Кто изобрел первую форму домашней системы безопасности? Проверьте свои знания. Пройди тест.

Ход цепной реакции определяется вероятностью того, что нейтрон, выделившийся при делении, вызовет последующее деление. Если количество нейтронов в реакторе уменьшится за определенный период времени, скорость деления уменьшится и в конечном итоге упадет до нуля. В этом случае реактор будет находиться в так называемом подкритическом состоянии. Если с течением времени популяция нейтронов поддерживается с постоянной скоростью, скорость деления останется постоянной, и реактор будет находиться в так называемом критическом состоянии. Наконец, если популяция нейтронов со временем будет увеличиваться, скорость деления и мощность увеличатся, и реактор окажется в сверхкритическом состоянии.

Перед запуском реактора нейтронная популяция близка к нулю. Во время пуска реактора операторы удаляют управляющие стержни из активной зоны, чтобы способствовать делению в активной зоне реактора, фактически временно переводя реактор в сверхкритическое состояние. Когда реактор приближается к номинальному уровню мощности, операторы частично вставляют регулирующие стержни, со временем уравновешивая количество нейтронов. В этот момент реактор поддерживается в критическом состоянии, или в так называемом стационарном режиме. Когда реактор должен быть остановлен, операторы полностью вставляют регулирующие стержни, препятствуя возникновению деления и переводя реактор в подкритическое состояние.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Управление реактором

Обычно в ядерной промышленности используется параметр реактивности, который является мерой состояния реактора по отношению к тому состоянию, в котором он находился бы, если бы находился в критическом состоянии. Реактивность положительна, когда реактор находится в сверхкритическом состоянии, равна нулю при критичности и отрицательна, когда реактор находится в подкритическом состоянии. Реактивность можно контролировать различными способами: добавляя или удаляя топливо, изменяя соотношение нейтронов, выходящих из системы, к тем, которые остаются в системе, или изменяя количество поглотителя, конкурирующего с топливом за нейтроны. В последнем методе количество нейтронов в реакторе регулируется путем изменения поглотителей, которые обычно имеют форму подвижных регулирующих стержней (хотя в менее распространенной конструкции операторы могут изменять концентрацию поглотителя в теплоносителе реактора). С другой стороны, изменения утечки нейтронов часто происходят автоматически. Например, увеличение мощности приведет к уменьшению плотности теплоносителя реактора и, возможно, к его закипанию. Это уменьшение плотности теплоносителя увеличит утечку нейтронов из системы и, таким образом, снизит реактивность — процесс, известный как отрицательная обратная связь по реактивности.