Diferencia entre reactor atómico y nuclear. Seguridad en la operación de la central nuclear. Lo que pasó en la central nuclear de Chernobyl

La inmensa energía de un diminuto átomo

“¡La buena ciencia es la física! Sólo la vida es corta". Estas palabras pertenecen a un científico que ha hecho mucho en física. Una vez fueron pronunciados por un académico. Ígor Vasilievich Kurchatov, creador de la primera central nuclear del mundo.

El 27 de junio de 1954 entró en funcionamiento esta singular central eléctrica. La humanidad tiene otra poderosa fuente de electricidad.

El camino para dominar la energía del átomo fue largo y difícil. Comenzó en las primeras décadas del siglo XX con el descubrimiento de la radiactividad natural por parte de los Curie, con los postulados de Bohr, el modelo planetario del átomo de Rutherford y la prueba de un hecho que, como parece ahora, es obvio: el núcleo de cualquier El átomo está formado por protones cargados positivamente y neutrones neutros.

En 1934, Frédéric e Irene Joliot-Curie (hija de Marie Sklodowska-Curie y Pierre Curie) descubrieron que bombardeándolos con partículas alfa (los núcleos de los átomos de helio), los elementos químicos ordinarios podían convertirse en radiactivos. El nuevo fenómeno se llama radiactividad artificial.

I. V. Kurchatov (derecha) y A. I. Alikhanov (centro) con su maestro A. F. Ioffe. (Principios de los 30.)

Si tal bombardeo se lleva a cabo con partículas muy rápidas y pesadas, comienza una cascada de transformaciones químicas. Los elementos con radiactividad artificial darán paso gradualmente a elementos estables que ya no se descompondrán.

Con la ayuda de la irradiación o el bombardeo, es fácil hacer realidad el sueño de los alquimistas: hacer oro a partir de otros elementos químicos. Solo el costo de tal transformación superará significativamente el precio del oro recibido ...

Fisión de núcleos de uranio

Más beneficio (y, desafortunadamente, ansiedad) trajo a la humanidad el descubrimiento en 1938-1939 por un grupo de físicos y químicos alemanes fisión de núcleos de uranio. Cuando se irradian con neutrones, los núcleos de uranio pesado se descomponen en elementos químicos más livianos que pertenecen a la parte media sistema periódico Mendeleev, y emiten varios neutrones. Para los núcleos de los elementos ligeros, estos neutrones resultan superfluos... Cuando los núcleos de uranio se están “dividiendo”, puede comenzar una reacción en cadena: cada uno de los dos o tres neutrones resultantes es capaz, a su vez, de producir varios neutrones, golpeando el núcleo de un átomo vecino.

La masa total de los productos de tal reacción nuclear resultó, como calcularon los científicos, ser menor que la masa de los núcleos de la sustancia original: el uranio.

De acuerdo con la ecuación de Einstein, que relaciona la masa con la energía, ¡se puede determinar fácilmente que en este caso se debe liberar una gran cantidad de energía! Y sucederá en muy poco tiempo. A menos, por supuesto, que la reacción en cadena se vuelva incontrolable y llegue al final...

Caminando después de la conferencia E. Fermi (derecha) con su alumno B. Pontecorvo. (Basilea, 1949)

gran físico y habilidades técnicas, escondido en el proceso de fisión del uranio, fue uno de los primeros en estimar Enrico Fermi, en aquellos lejanos años treinta de nuestro siglo, todavía muy joven, pero ya reconocido jefe de la escuela italiana de físicos. Mucho antes de la Segunda Guerra Mundial, él y un grupo de talentosos empleados investigaron el comportamiento varias sustancias con la irradiación de neutrones y determinó que la eficiencia del proceso de fisión de uranio puede incrementarse significativamente... ralentizando el movimiento de los neutrones. Por extraño que parezca a primera vista, con una disminución en la velocidad de los neutrones, aumenta la probabilidad de que los núcleos de uranio los capturen. Sustancias bastante accesibles sirven como "moderadores" efectivos de neutrones: parafina, carbón, agua ...

Al mudarse a los EE. UU., Fermi siguió siendo el cerebro y el corazón de la investigación nuclear allí. Dos talentos, por lo general mutuamente excluyentes, se combinaron en Fermi: un teórico destacado y un experimentador brillante. “Pasará mucho tiempo antes de que podamos ver a una persona igual a él”, escribió el destacado científico W. Zinn después de la prematura muerte de Fermi a causa de un tumor maligno en 1954 a la edad de 53 años.

Un equipo de científicos que se unió a Fermi durante la Segunda Guerra Mundial decidió crear un arma de poder destructivo sin precedentes basada en una reacción en cadena de fisión de uranio: bomba atómica. Los científicos tenían prisa: ¿y si la Alemania nazi fuera la primera en fabricar una nueva arma y usarla en su deseo inhumano de esclavizar a otros pueblos?

Construcción de un reactor nuclear en nuestro país

Los científicos lograron ya en 1942 ensamblar y lanzar en el territorio del estadio de la Universidad de Chicago. primer reactor nuclear. Las barras de uranio en el reactor estaban intercaladas con "ladrillos" de carbono, moderadores, y si la reacción en cadena se volvía demasiado violenta, podía detenerse rápidamente introduciendo placas de cadmio en el reactor, que separaban las barras de uranio y absorbían completamente los neutrones.

Los investigadores estaban muy orgullosos de sus inventos. accesorios simples al reactor, que ahora nos hacen sonreír. Uno de los empleados de Fermi en Chicago, el famoso físico G. Anderson, recuerda que el estaño de cadmio estaba clavado en una barra de madera que, si era necesario, bajaba instantáneamente a la caldera bajo la influencia de su propia gravedad, que era la razón para darle el nombre "instantáneo". G. Anderson escribe: “Antes de encender la caldera, esta varilla debería haber sido levantada y asegurada con una cuerda. En caso de accidente, la cuerda podría cortarse y el "momento" tomaría su lugar dentro de la caldera.

Se obtuvo una reacción en cadena controlada en un reactor atómico, se verificaron cálculos teóricos y predicciones. En el reactor tuvo lugar una cadena de transformaciones químicas, como resultado de lo cual se elemento químico- plutonio. Al igual que el uranio, se puede utilizar para crear una bomba atómica.

Los científicos han determinado que existe una "masa crítica" de uranio o plutonio. Si hay suficiente materia atómica, la reacción en cadena conduce a una explosión, si es pequeña, menos que la "masa crítica", simplemente se libera calor.

Construcción de una central nuclear

En la bomba atómica el diseño más simple dos piezas de uranio o plutonio se apilan una al lado de la otra, y la masa de cada una es un poco menor que la crítica. En el momento adecuado, un fusible de un explosivo ordinario conecta las piezas, la masa del combustible atómico supera un valor crítico, y la liberación de energía destructiva de una fuerza monstruosa ocurre instantáneamente ...

La radiación de luz cegadora, una onda de choque que barre todo a su paso, y la radiación radiactiva penetrante cayeron sobre los habitantes de dos ciudades japonesas, Hiroshima y Nagasaki, después de la explosión de las bombas atómicas estadounidenses en 1945, y desde entonces, la gente ha estado alarmada. por las terribles consecuencias del uso de las bombas atómicas.

Bajo el liderazgo científico unificador de IV Kurchatov, los físicos soviéticos desarrollaron armas atómicas.

Pero el líder de estos trabajos no dejó de pensar en el uso pacífico de la energía atómica. Después de todo, un reactor nuclear tiene que ser enfriado intensamente, ¿por qué este calor no se “cede” a una turbina de vapor o de gas, no se usa para calentar casas?

A través del reactor nuclear se hicieron pasar tuberías con metal líquido de bajo punto de fusión. El metal calentado entró en el intercambiador de calor, donde transfirió su calor al agua. El agua se convirtió en vapor sobrecalentado, la turbina comenzó a funcionar. El reactor estaba rodeado por una capa protectora de hormigón con relleno metálico: la radiación radiactiva no debería escapar.

El reactor nuclear se ha convertido en una planta de energía nuclear, trayendo luz tranquila a la gente, calidez acogedora el mundo deseado...

La reacción en cadena de la fisión siempre va acompañada de la liberación de energía de enorme magnitud. El uso práctico de esta energía es la tarea principal de un reactor nuclear.

Un reactor nuclear es un dispositivo en el que tiene lugar una reacción de fisión nuclear controlada o controlada.

Según el principio de funcionamiento, los reactores nucleares se dividen en dos grupos: reactores de neutrones térmicos y reactores de neutrones rápidos.

¿Cómo funciona un reactor nuclear de neutrones térmicos?

Un reactor nuclear típico tiene:

• Núcleo y moderador;
• reflector de neutrones;
• refrigerante;
• Sistema de control de reacción en cadena, protección de emergencia;
• Sistema de control y protección radiológica;
• Sistema de control remoto.

1 - zona activa; 2 - reflector; 3 - protección; 4 - barras de control; 5 - refrigerante; 6 - bombas; 7 - intercambiador de calor; 8 - turbina; 9 - generador; 10 - condensador.

Núcleo y moderador

Es en el núcleo donde tiene lugar la reacción en cadena de la fisión controlada.

La mayoría de los reactores nucleares funcionan con isótopos pesados ​​de uranio-235. Pero en muestras naturales de mineral de uranio, su contenido es solo del 0,72%. Esta concentración no es suficiente para que se desarrolle una reacción en cadena. Por lo tanto, el mineral se enriquece artificialmente, lo que lleva el contenido de este isótopo al 3%.

El material fisionable, o combustible nuclear, en forma de gránulos se coloca en varillas selladas herméticamente llamadas TVEL (elementos combustibles). Ellos impregnan toda la zona activa llena de moderador neutrones.

¿Por qué se necesita un moderador de neutrones en un reactor nuclear?

El hecho es que los neutrones nacidos después de la desintegración de los núcleos de uranio-235 tienen una velocidad muy alta. La probabilidad de su captura por otros núcleos de uranio es cientos de veces menor que la probabilidad de captura de neutrones lentos. Y si no reduce su velocidad, la reacción nuclear puede desvanecerse con el tiempo. El moderador resuelve el problema de reducir la velocidad de los neutrones. Si se coloca agua o grafito en el camino de los neutrones rápidos, su velocidad se puede reducir artificialmente y, por lo tanto, se puede aumentar el número de partículas capturadas por los átomos. Al mismo tiempo, se necesita una cantidad menor de combustible nuclear para una reacción en cadena en un reactor.

Como resultado del proceso de desaceleración, neutrones térmicos, cuya velocidad es prácticamente igual a la velocidad del movimiento térmico de las moléculas de gas a temperatura ambiente.

Como moderador en los reactores nucleares se utiliza agua, agua pesada (óxido de deuterio D 2 O), berilio y grafito. Pero el mejor moderador es el agua pesada D 2 O.

Reflector de neutrones

Para evitar la fuga de neutrones en medioambiente, el núcleo de un reactor nuclear está rodeado por reflector de neutrones. Como material para reflectores, a menudo se usan las mismas sustancias que en los moderadores.

refrigerante

El calor liberado durante una reacción nuclear se elimina mediante un refrigerante. Como refrigerante en reactores nucleares, convencionales agua natural, previamente purificado de diversas impurezas y gases. Pero dado que el agua ya hierve a una temperatura de 100 0 C y una presión de 1 atm, para aumentar el punto de ebullición, se aumenta la presión en el circuito de refrigeración primario. El agua del circuito primario, que circula por el núcleo del reactor, lava las barras de combustible, mientras las calienta hasta una temperatura de 320 0 C. Más adentro del intercambiador de calor, cede calor al agua del segundo circuito. El intercambio pasa por los tubos intercambiadores de calor, por lo que no hay contacto con el agua del circuito secundario. Esto excluye la entrada de sustancias radiactivas en el segundo circuito del intercambiador de calor.

Y entonces todo sucede como en una central térmica. El agua del segundo circuito se convierte en vapor. El vapor hace girar una turbina, que impulsa un generador eléctrico, que produce electricidad.

En los reactores de agua pesada, el refrigerante es agua pesada D 2 O, y en los reactores con refrigerantes de metal líquido, es metal fundido.

Sistema de control de reacción en cadena

El estado actual del reactor se caracteriza por una cantidad llamada reactividad.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n yo / n yo -1 ,

donde k es el factor de multiplicación de neutrones,

n yo es el número de neutrones de la próxima generación en una reacción de fisión nuclear,

n yo -1 , es el número de neutrones de la generación anterior en la misma reacción.

si un k 1 , la reacción en cadena se acumula, el sistema se llama supercrítico s. si un k< 1 , la reacción en cadena decae y el sistema se llama subcrítico. En k = 1 el reactor esta en condición crítica estable, ya que el número de núcleos fisionables no cambia. En este estado, la reactividad ρ = 0 .

El estado crítico del reactor (el factor de multiplicación de neutrones requerido en un reactor nuclear) se mantiene moviendo barras de control. El material del que están hechos incluye sustancias que absorben neutrones. Empujar o empujar estas varillas hacia el núcleo controla la velocidad de la reacción de fisión nuclear.

El sistema de control proporciona el control del reactor durante su puesta en marcha, parada planificada, operación a potencia, así como protección de emergencia del reactor nuclear. Esto se logra cambiando la posición de las barras de control.

Si alguno de los parámetros del reactor (temperatura, presión, velocidad de respuesta, consumo de combustible, etc.) se desvía de la norma, y ​​esto puede provocar un accidente, especial varillas de emergencia y hay un rápido cese de la reacción nuclear.

Para asegurar que los parámetros del reactor cumplan con los estándares, monitorear sistemas de vigilancia y protección radiológica.

Para proteger el medio ambiente de la radiación radiactiva, el reactor se coloca en una gruesa caja de hormigón.

Sistemas de control remoto

Todas las señales sobre el estado de un reactor nuclear (temperatura del refrigerante, nivel de radiación en partes diferentes reactor, etc.) llegan al panel de control del reactor y se procesan en sistemas informáticos. El operador recibe toda la información y recomendaciones necesarias para eliminar ciertas desviaciones.

Reactores de neutrones rápidos

La diferencia entre este tipo de reactores y los reactores térmicos de neutrones es que los neutrones rápidos que surgen tras la desintegración del uranio-235 no son ralentizados, sino que son absorbidos por el uranio-238 con su posterior transformación en plutonio-239. Por lo tanto, los reactores de neutrones rápidos se utilizan para producir plutonio-239 apto para armas y energía térmica, que se convierte en energía eléctrica mediante generadores de plantas de energía nuclear.

El combustible nuclear en dichos reactores es el uranio-238 y la materia prima es el uranio-235.

En el mineral de uranio natural, el 99,2745 % es uranio-238. Cuando se absorbe un neutrón térmico, no se fisiona, sino que se convierte en un isótopo de uranio-239.

Algún tiempo después de la desintegración β, el uranio-239 se convierte en el núcleo del neptunio-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Después de la segunda desintegración β, se forma plutonio-239 fisionable:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Y finalmente, tras la desintegración alfa del núcleo de plutonio-239, se obtiene el uranio-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Las barras de combustible con materias primas (uranio-235 enriquecido) se encuentran en el núcleo del reactor. Esta zona está rodeada por una zona de reproducción, que son barras de combustible con combustible (uranio empobrecido-238). Los neutrones rápidos emitidos desde el núcleo después de la desintegración del uranio-235 son capturados por los núcleos de uranio-238. El resultado es plutonio-239. Así, se produce nuevo combustible nuclear en reactores de neutrones rápidos.

Los metales líquidos o sus mezclas se utilizan como refrigerantes en reactores nucleares de neutrones rápidos.

Clasificación y aplicación de los reactores nucleares.

Los reactores nucleares se utilizan principalmente en centrales nucleares. Con su ayuda, reciba electricidad y energía térmica a escala industrial. Estos reactores se denominan energía .

Los reactores nucleares se utilizan ampliamente en los sistemas de propulsión de los modernos submarinos nucleares, barcos de superficie y tecnología espacial. Suministran energía eléctrica a los motores y se denominan reactores de transporte .

Para investigación científica en el campo de la física nuclear y la química de las radiaciones, utilizan flujos de neutrones, cuantos gamma, que se obtienen en el núcleo reactores de investigación. La energía que generan no supera los 100 MW y no se utiliza con fines industriales.

Energía reactores experimentales incluso menos. Alcanza un valor de sólo unos pocos kW. Estos reactores se utilizan para estudiar varios Cantidades fisicas, cuyo significado es importante en el diseño de reacciones nucleares.

Para reactores industriales incluyen reactores para la producción de isótopos radiactivos utilizados con fines médicos, así como en diversos campos de la industria y la tecnología. Reactores de desalinización agua de mar también se aplican a los reactores industriales.

Los reactores nucleares tienen un trabajo: dividir átomos en una reacción controlada y usar la energía liberada para generar energía eléctrica. Durante muchos años, los reactores se han considerado tanto un milagro como una amenaza.

Cuando el primer reactor comercial de EE. UU. entró en funcionamiento en Shippingport, Pensilvania, en 1956, la tecnología fue aclamada como la central eléctrica del futuro, y algunos creían que los reactores harían que la generación de electricidad fuera demasiado barata. Ahora se han construido 442 reactores nucleares en todo el mundo, aproximadamente una cuarta parte de estos reactores se encuentran en los Estados Unidos. El mundo se ha vuelto dependiente de los reactores nucleares, que generan el 14 por ciento de la electricidad. Los futuristas incluso fantaseaban con los coches atómicos.

Cuando el reactor Block 2 en la planta de energía de Three Mile Island en Pensilvania sufrió una falla de enfriamiento en 1979 y como resultado una fusión parcial de su combustible radiactivo, los sentimientos cálidos hacia los reactores cambiaron radicalmente. A pesar de que se llevó a cabo una parada del reactor destruido y no se produjo una liberación radiactiva importante, muchas personas comenzaron a considerar que los reactores eran demasiado complejos y vulnerables, con consecuencias potencialmente catastróficas. La gente también se preocupó por los desechos radiactivos de los reactores. Como resultado, la construcción de nuevas plantas nucleares en los Estados Unidos se ha detenido. Cuando ocurrió un accidente más grave el Central nuclear de Chernóbil en la Unión Soviética en 1986, la energía nuclear parecía condenada al fracaso.

Pero a principios de la década de 2000, los reactores nucleares comenzaron a reaparecer, gracias a una creciente demanda de energía y una disminución del suministro de combustibles fósiles, así como a la creciente preocupación por el cambio climático debido a las emisiones de dióxido de carbono.

Pero en marzo de 2011, estalló otra crisis: esta vez, Fukushima 1, una planta de energía nuclear en Japón, resultó gravemente dañada por un terremoto.

Uso de la reacción nuclear.

En pocas palabras, en un reactor nuclear, los átomos se dividen y liberan la energía que mantiene unidas sus partes.

Si te olvidaste de la física escuela secundaria Te recordaremos cómo Fisión nuclear obras. Los átomos son pequeños sistemas solares, con un núcleo como el Sol, y electrones como planetas en órbita a su alrededor. El núcleo está formado por partículas llamadas protones y neutrones que están unidas entre sí. La fuerza que une los elementos del núcleo es difícil incluso de imaginar. Es miles de millones de veces más fuerte que la fuerza de la gravedad. A pesar de esta enorme fuerza, es posible dividir el núcleo disparándole neutrones. Cuando se hace esto, se liberará una gran cantidad de energía. Cuando los átomos se descomponen, sus partículas chocan contra los átomos cercanos, dividiéndolos, y estos, a su vez, siguen, siguen, siguen. Hay un llamado reacción en cadena.

El uranio, un elemento con átomos grandes, es ideal para el proceso de fisión, porque la fuerza que une las partículas de su núcleo es relativamente débil en comparación con otros elementos. Los reactores nucleares usan un isótopo específico llamado Encorrió-235 . El uranio-235 es raro en la naturaleza, y el mineral de las minas de uranio contiene solo alrededor del 0,7% de U-235. Es por eso que los reactores usan enriquecidoEncorrer, que se crea aislando y concentrando uranio-235 a través de un proceso de difusión de gas.

Se puede crear un proceso de reacción en cadena en una bomba atómica, similar a los que se lanzaron sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki durante la Segunda Guerra Mundial. Pero en un reactor nuclear, la reacción en cadena se controla insertando barras de control hechas de materiales como cadmio, hafnio o boro, que absorben algunos de los neutrones. Esto todavía permite que el proceso de fisión libere suficiente energía para calentar el agua a unos 270 grados centígrados y convertirla en vapor, que se utiliza para hacer girar las turbinas de la planta de energía y generar electricidad. En principio, en este caso, una bomba nuclear controlada funciona en lugar del carbón, creando electricidad, excepto que la energía para hervir el agua proviene de la división de los átomos, en lugar de quemar el carbono.

Componentes de reactores nucleares

Hay varios tipos diferentes de reactores nucleares, pero todos tienen algunos Características generales. Todos ellos cuentan con un stock de radiactivos. pastillas de combustible- generalmente óxido de uranio, que se disponen en tubos para formar barras de combustible en centromireactor.

El reactor también cuenta con los mencionados anteriormente gerentesmivarillay— de un material absorbente de neutrones, como cadmio, hafnio o boro, que se inserta para controlar o detener la reacción.

El reactor también tiene moderador, una sustancia que frena los neutrones y ayuda a controlar el proceso de fisión. La mayoría de los reactores en los Estados Unidos usan agua corriente, pero los reactores en otros países a veces usan grafito o pesadoguauaguasen, en el que el hidrógeno se reemplaza por deuterio, un isótopo de hidrógeno con un protón y un neutrón. Otra parte importante del sistema es enfriamientoy yolíquidob, generalmente agua común, que absorbe y transfiere calor del reactor para crear vapor que hace girar la turbina y enfría el área del reactor para que no alcance la temperatura a la que se derretirá el uranio (alrededor de 3815 grados centígrados).

Finalmente, el reactor se encierra en cáscaraen, una estructura grande y pesada, generalmente de varios metros de espesor, de acero y hormigón que mantiene los gases y líquidos radiactivos en su interior donde no pueden dañar a nadie.

Hay una serie de varios diseños reactores en uso, pero uno de los más comunes es reactor de agua a presión (VVER). En un reactor de este tipo, el agua entra en contacto con el núcleo y luego permanece allí bajo tal presión que no puede convertirse en vapor. Esta agua luego en el generador de vapor entra en contacto con agua suministrada sin presión, la cual se convierte en vapor que hace girar las turbinas. También hay un diseño. reactor Alto Voltaje tipo de canal (RBMK) con un circuito de agua y reactor de neutrones rápidos con dos circuitos de sodio y uno de agua.

¿Qué tan seguro es un reactor nuclear?

La respuesta a esta pregunta es bastante difícil y depende de a quién le preguntes y de lo que entiendas por "seguro". ¿Le preocupa la radiación o los residuos radiactivos que se generan en los reactores? ¿O le preocupa más la posibilidad de un accidente catastrófico? ¿Qué grado de riesgo considera usted una compensación aceptable por los beneficios de la energía nuclear? ¿Y hasta qué punto confía en el gobierno y la energía nuclear?

La "radiación" es un argumento válido, principalmente porque todos sabemos que grandes dosis de radiación, como la de la explosión de una bomba nuclear, pueden matar a muchos miles de personas.

Los defensores de la energía nuclear, sin embargo, señalan que todos estamos regularmente expuestos a la radiación de varias fuentes, incluidos los rayos cósmicos y la radiación natural emitida por la Tierra. La dosis media anual de radiación es de unos 6,2 milisieverts (mSv), la mitad de ella procedente de fuentes naturales y la mitad de fuentes artificiales que van desde radiografías de tórax, detectores de humo y carátulas luminosas. ¿Cuánta radiación recibimos de los reactores nucleares? Solo una pequeña fracción de un porcentaje de nuestra exposición anual típica, 0,0001 mSv.

Si bien todas las plantas nucleares inevitablemente filtran pequeñas cantidades de radiación, las comisiones reguladoras mantienen a los operadores de plantas nucleares bajo regulaciones estrictas. No pueden exponer a las personas que viven alrededor de la planta a más de 1 mSv de radiación por año, y los trabajadores de la planta tienen un umbral de 50 mSv por año. Eso puede parecer mucho, pero según la Comisión Reguladora Nuclear, no hay evidencia médica de que las dosis anuales de radiación por debajo de 100 mSv representen algún riesgo para la salud de los humanos.

Pero es importante tener en cuenta que no todo el mundo está de acuerdo con una evaluación tan complaciente de los riesgos de la radiación. Por ejemplo, Physicians for Social Responsibility, un crítico de la industria nuclear desde hace mucho tiempo, ha estudiado a los niños que viven cerca de las centrales nucleares alemanas. El estudio mostró que las personas que vivían a menos de 5 km de las plantas tenían el doble de riesgo de contraer leucemia en comparación con las personas que vivían más lejos de la planta de energía nuclear.

reactor de residuos nucleares

La energía nuclear es promocionada por sus defensores como energía "limpia" porque el reactor no emite grandes cantidades de gases de efecto invernadero a la atmósfera, en comparación con las centrales eléctricas de carbón. Pero los críticos apuntan a otro problema ambiental: la eliminación de desechos nucleares. Algunos de los residuos de combustible gastado de los reactores aún emiten radiactividad. Otras cosas innecesarias que deben guardarse son residuos radiactivos nivel alto , el residuo líquido del procesamiento del combustible gastado, en el que queda parte del uranio. En este momento, la mayoría de estos desechos se almacenan localmente en plantas de energía nuclear en estanques de agua que absorben parte del calor restante producido por el combustible gastado y ayudan a proteger a los trabajadores de la exposición a la radiación.

Uno de los problemas con el combustible nuclear gastado es que ha sido alterado durante la fisión.Cuando los átomos grandes de uranio se fisuran, crean subproductos: isótopos radiactivos de varios elementos ligeros como el Cesio-137 y el Estroncio-90, llamados productos de fisión. Son calientes y altamente radiactivos, pero eventualmente, en un período de 30 años, se descomponen en formas menos peligrosas. Este periodo se llama PAGperíodoohmmedia vida. Para otros elementos radiactivos, la vida media será diferente. Además, algunos átomos de uranio también capturan neutrones, formando elementos más pesados ​​como el plutonio. Estos elementos transuránicos no generan tanto calor ni radiación penetrante como los productos de fisión, pero tardan mucho más en desintegrarse. El plutonio-239, por ejemplo, tiene una vida media de 24.000 años.

Estos radioactivomisalidas nivel alto de los reactores son peligrosos para los humanos y otras formas de vida porque pueden emitir una enorme, dosis letal radiación incluso de una exposición corta. Diez años después de retirar el combustible de un reactor, por ejemplo, emiten 200 veces más radiactividad por hora de lo que se necesita para matar a una persona. Y si los residuos acaban en agua subterránea o ríos, pueden entrar en la cadena alimentaria y poner en peligro a un gran número de personas.

Debido a que los desechos son tan peligrosos, muchas personas se encuentran en una posición difícil. 60.000 toneladas de residuos se encuentran en centrales nucleares cercanas a grandes ciudades. Pero encontrar un lugar seguro para almacenar los desechos es muy difícil.

¿Qué puede salir mal con un reactor nuclear?

Con los reguladores gubernamentales recordando su experiencia, los ingenieros han dedicado mucho tiempo a lo largo de los años a diseñar reactores para una seguridad óptima. Es solo que no se rompen, funcionan correctamente y tienen medidas de seguridad de respaldo en caso de que algo no salga según lo planeado. Como resultado, año tras año, las plantas nucleares parecen ser bastante seguras en comparación con, por ejemplo, los viajes aéreos, que rutinariamente matan entre 500 y 1100 personas al año en todo el mundo.

Sin embargo, los reactores nucleares superan averías importantes. En la Escala Internacional de Sucesos Nucleares, que califica los accidentes de reactores del 1 al 7, ha habido cinco accidentes desde 1957 que han sido calificados del 5 al 7.

La peor pesadilla es la avería del sistema de refrigeración, lo que provoca el sobrecalentamiento del combustible. El combustible se convierte en líquido y luego se quema a través de la contención, arrojando radiación radiactiva. En 1979, la Unidad 2 de la central nuclear de Three Mile Island (EE.UU.) estaba al borde de este escenario. Afortunadamente, un sistema de contención bien diseñado fue lo suficientemente fuerte como para evitar que la radiación se escapara.

La URSS fue menos afortunada. En abril de 1986 se produjo un grave accidente nuclear en la cuarta unidad de potencia de la central nuclear de Chernóbil. Esto fue causado por una combinación de fallas en el sistema, fallas de diseño y personal mal capacitado. Durante una prueba de rutina, la reacción aumentó repentinamente y las barras de control se atascaron, lo que impidió el apagado de emergencia. La repentina acumulación de vapor provocó dos explosiones térmicas, lanzando al aire el moderador de grafito del reactor. En ausencia de algo para enfriar las barras de combustible del reactor, comenzaron a sobrecalentarse y destruirse por completo, como resultado de lo cual el combustible tomó forma líquida. Muchos trabajadores de la estación y liquidadores del accidente murieron. Un gran número de la radiación se extendió sobre un área de 323.749 kilómetros cuadrados. La cantidad de muertes causadas por la radiación aún no está clara, pero la Organización Mundial de la Salud dice que puede haber causado 9,000 muertes por cáncer.

Los constructores de reactores nucleares dan garantías basadas en estimación probabilísticami en el que intentan equilibrar el daño potencial de un evento con la probabilidad de que realmente ocurra. Pero algunos críticos dicen que deberían prepararse, en cambio, para los eventos raros, más inesperados, pero muy peligrosos. Un ejemplo ilustrativo es el accidente de marzo de 2011 en la central nuclear de Fukushima 1 en Japón. Según los informes, la estación fue diseñada para resistir un fuerte terremoto, pero no tan catastrófico como el terremoto de 9,0 que levantó una ola de tsunami de 14 metros sobre diques diseñados para resistir una ola de 5,4 metros. El ataque del tsunami destruyó los generadores diesel de respaldo que debían alimentar el sistema de enfriamiento de los seis reactores de la planta de energía nuclear en caso de un corte de energía. Por lo tanto, incluso después de que las barras de control de los reactores de Fukushima detuvieran la reacción de fisión, el El combustible todavía caliente permitió la temperatura dentro de los reactores destruidos.

Las autoridades japonesas han recurrido al último recurso: inundar los reactores con enormes cantidades de agua de mar mezclada con ácido bórico, que pudo evitar una catástrofe, pero destruyó el equipo del reactor. Eventualmente, con la ayuda de camiones de bomberos y barcazas, los japoneses pudieron bombear agua dulce en los reactores. Pero para entonces, el monitoreo ya había mostrado niveles alarmantes de radiación en la tierra y el agua circundantes. En un pueblo a 40 km de esta central nuclear, el elemento radiactivo Cesio-137 resultó estar en niveles mucho más altos que después del desastre de Chernobyl, lo que planteó dudas sobre la posibilidad de habitación humana en esta zona.

Para una persona común, los dispositivos modernos de alta tecnología son tan misteriosos y misteriosos que es correcto adorarlos, como los antiguos adoraban a los rayos. Las lecciones escolares de física, repletas de cálculos matemáticos, no resuelven el problema. Pero es interesante contar incluso sobre un reactor nuclear, cuyo principio de funcionamiento es claro incluso para un adolescente.

¿Cómo funciona un reactor nuclear?

El principio de funcionamiento de este dispositivo de alta tecnología es el siguiente:

1. Cuando se absorbe un neutrón, el combustible nuclear (la mayoría de las veces este uranio-235 o plutonio-239) se produce la fisión del núcleo atómico;
2. Se libera energía cinética, radiación gamma y neutrones libres;
3. La energía cinética se convierte en energía térmica (cuando los núcleos chocan con los átomos circundantes), la radiación gamma es absorbida por el propio reactor y también se convierte en calor;
4. Algunos de los neutrones generados son absorbidos por los átomos de combustible, lo que provoca una reacción en cadena. Para controlarlo se utilizan absorbentes y moderadores de neutrones;
5. Con la ayuda de un refrigerante (agua, gas o sodio líquido), se elimina el calor del sitio de reacción;
6. El vapor presurizado del agua caliente se utiliza para impulsar turbinas de vapor;
7. con un generador energía mecánica la rotación de la turbina se convierte en corriente eléctrica alterna.

Enfoques de la clasificación

Puede haber muchas razones para la tipología de los reactores:

• Por tipo de reacción nuclear. Fisión (todas las instalaciones comerciales) o fusión (energía termonuclear, está muy extendida solo en algunos institutos de investigación);
• por refrigerante. En la gran mayoría de los casos se utiliza agua (hirviendo o pesada) para este fin. A veces se utilizan soluciones alternativas: metal líquido (sodio, aleación de plomo-bismuto, mercurio), gas (helio, dióxido de carbono o nitrógeno), sal fundida (sales de fluoruro);
• Por generación. El primero son los primeros prototipos, que no tenían ningún sentido comercial. El segundo es la mayoría de las centrales nucleares actualmente en uso que se construyeron antes de 1996. La tercera generación difiere de la anterior solo en mejoras menores. El trabajo en la cuarta generación aún está en marcha;
• Según el estado agregado combustible (el gas todavía existe solo en papel);
• Por propósito de uso(para la producción de electricidad, arranque de motores, producción de hidrógeno, desalinización, transmutación de elementos, obtención de radiación neuronal, fines teóricos e investigativos).

Dispositivo de reactor nuclear

Los componentes principales de los reactores en la mayoría de las centrales eléctricas son:

1. Combustible nuclear: una sustancia que es necesaria para la producción de calor para las turbinas eléctricas (generalmente uranio poco enriquecido);
2. La zona activa del reactor nuclear: aquí es donde tiene lugar la reacción nuclear;
3. Moderador de neutrones: reduce la velocidad de los neutrones rápidos, convirtiéndolos en neutrones térmicos;
4. Fuente de neutrones de arranque: utilizada para el lanzamiento fiable y estable de una reacción nuclear;
5. Absorbedor de neutrones: disponible en algunas centrales eléctricas para reducir la alta reactividad del combustible fresco;
6. Obús de neutrones: se utiliza para reiniciar una reacción después de apagarse;
7. Refrigerante (agua purificada);
8. Barras de control: para controlar la tasa de fisión de los núcleos de uranio o plutonio;
9. Bomba de agua: bombea agua a la caldera de vapor;
10. Turbina de vapor: convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica rotacional;
11. Torre de enfriamiento: un dispositivo para eliminar el exceso de calor en la atmósfera;
12. Sistema de recepción y almacenamiento de residuos radiactivos;
13. Sistemas de seguridad (generadores diésel de emergencia, dispositivos de refrigeración de emergencia del núcleo).

Cómo funcionan los últimos modelos

La última cuarta generación de reactores estará disponible para operación comercial no antes de 2030. Actualmente, el principio y la disposición de su trabajo se encuentran en la etapa de desarrollo. Según los datos actuales, estas modificaciones diferirán de los modelos existentes en tales beneficios:

• Sistema de enfriamiento rápido de gas. Se supone que se utilizará helio como refrigerante. De acuerdo a documentación del proyecto, por lo que es posible enfriar reactores con una temperatura de 850 °C. Para trabajar con tal altas temperaturas ah, también se requerirán materias primas específicas: composite materiales cerámicos y compuestos actínidos;
• Es posible utilizar plomo o una aleación de plomo y bismuto como refrigerante principal. Estos materiales tienen una baja absorción de neutrones y son relativamente baja temperatura derritiendo;
• Además, se puede utilizar una mezcla de sales fundidas como refrigerante principal. Por lo tanto, será posible trabajar a temperaturas más altas que las modernas contrapartes enfriadas por agua.

Análogos naturales en la naturaleza.

El reactor nuclear se percibe en la mente del público únicamente como un producto alta tecnología. Sin embargo, de hecho la primera el dispositivo es de origen natural. Fue descubierto en la región de Oklo, en el estado centroafricano de Gabón:

• El reactor se formó debido a la inundación de rocas de uranio por aguas subterráneas. Actuaron como moderadores de neutrones;
• La energía térmica liberada durante la descomposición del uranio convierte el agua en vapor y la reacción en cadena se detiene;
• Después de que baja la temperatura del refrigerante, todo se repite nuevamente;
• Si el líquido no se hubiera evaporado y detenido el curso de la reacción, la humanidad se habría enfrentado a un nuevo desastre natural;
• La fisión nuclear autosostenida comenzó en este reactor hace aproximadamente mil quinientos millones de años. Durante este tiempo, se asignaron alrededor de 0,1 millones de vatios de potencia de salida;
• Tal maravilla del mundo en la Tierra es la única conocida. La aparición de nuevos es imposible: la proporción de uranio-235 en las materias primas naturales es muy inferior al nivel necesario para mantener una reacción en cadena.

¿Cuántos reactores nucleares hay en Corea del Sur?

Pobre en recursos naturales, pero industrializada y superpoblada, la República de Corea tiene una gran necesidad de energía. En el contexto del rechazo de Alemania al átomo pacífico, este país tiene grandes esperanzas de frenar la tecnología nuclear:

• Está previsto que para 2035 la cuota de electricidad generada por las centrales nucleares alcance el 60 % y la producción total, más de 40 gigavatios;
• El país no tiene armas atómicas, pero la investigación en física nuclear está en curso. Científicos coreanos han desarrollado diseños de reactores modernos: modulares, de hidrógeno, con metal líquido, etc.;
• El éxito de los investigadores locales le permite vender tecnología en el exterior. Se espera que en los próximos 15 a 20 años el país exporte 80 unidades de este tipo;
• Pero a día de hoy, la mayoría de las centrales nucleares se han construido con la ayuda de científicos estadounidenses o franceses;
• La cantidad de estaciones operativas es relativamente pequeña (solo cuatro), pero cada una de ellas tiene una cantidad significativa de reactores: 40 en total, y esta cifra aumentará.

Cuando se bombardea con neutrones, el combustible nuclear entra en una reacción en cadena, como resultado de lo cual se genera una gran cantidad de calor. El agua en el sistema toma este calor y lo convierte en vapor, que hace girar las turbinas que producen electricidad. Aquí circuito sencillo operación de un reactor nuclear, la fuente de energía más poderosa de la Tierra.

Vídeo: cómo funcionan los reactores nucleares

En este video, el físico nuclear Vladimir Chaikin te contará cómo se genera la electricidad en los reactores nucleares, su estructura detallada:

Hoy haremos un pequeño viaje al mundo de la física nuclear. El tema de nuestro recorrido será reactor nuclear. Aprenderá cómo funciona, qué principios físicos subyacen a su funcionamiento y dónde se utiliza este dispositivo.

El nacimiento de la energía nuclear

El primer reactor nuclear del mundo se construyó en 1942 en los Estados Unidos. grupo experimental de físicos dirigido por el laureado premio Nobel Enrique Fermi. Al mismo tiempo, llevaron a cabo una reacción de fisión de uranio autosostenida. El genio atómico ha sido liberado.

El primer reactor nuclear soviético se puso en marcha en 1946, y 8 años más tarde, la primera planta de energía nuclear del mundo en la ciudad de Obninsk dio corriente. El principal supervisor científico del trabajo en la industria de la energía nuclear de la URSS fue un físico destacado. Igor Vasilievich Kurchatov.

Desde entonces, varias generaciones de reactores nucleares han cambiado, pero los elementos principales de su diseño no han cambiado.

Anatomía de un reactor nuclear

Esta instalación nuclear es un tanque de acero de paredes gruesas con una capacidad cilíndrica que va desde unos pocos centímetros cúbicos hasta muchos metros cúbicos.

Dentro de este cilindro está el lugar santísimo - núcleo del reactor. Es aquí donde tiene lugar la reacción en cadena de la fisión del combustible nuclear.

Veamos cómo se lleva a cabo este proceso.

Los núcleos de elementos pesados, en particular Uranio-235 (U-235), bajo la influencia de un pequeño empujón de energía, pueden desmoronarse en 2 fragmentos de aproximadamente la misma masa. El agente causante de este proceso es el neutrón.

Los fragmentos suelen ser núcleos de bario y criptón. Cada uno de ellos lleva Carga positiva, por lo que las fuerzas de repulsión de Coulomb los obligan a dispersarse en lados diferentes aproximadamente a 1/30 de la velocidad de la luz. Estos fragmentos son portadores de una energía cinética colosal.

Para uso práctico energía, es necesario que su liberación sea autosostenible. Reacción en cadena, que está en cuestión es tanto más interesante cuanto que cada evento de fisión va acompañado de la emisión de nuevos neutrones. Por un neutrón inicial, en promedio, surgen 2-3 nuevos neutrones. El número de núcleos de uranio fisionable crece como una avalancha, provocando la liberación de una enorme energía. Si este proceso no se controla, se Explosión nuclear. Tiene lugar en .

Para controlar el número de neutrones. materiales que absorben neutrones se introducen en el sistema, proporcionando una suave liberación de energía. El cadmio o el boro se utilizan como absorbentes de neutrones.

¿Cómo frenar y utilizar la enorme energía cinética de los fragmentos? Para estos fines, se utiliza un refrigerante, es decir. un medio especial, en movimiento en el que los fragmentos se desaceleran y se calientan a temperaturas extremadamente altas. Tal medio puede ser agua ordinaria o pesada, metales líquidos (sodio), así como algunos gases. Para no provocar la transición del refrigerante a un estado de vapor, apoyado en el núcleo presión alta(hasta 160 atm). Por esta razón, las paredes del reactor están hechas de acero de diez centímetros de grados especiales.

Si los neutrones salen volando del combustible nuclear, la reacción en cadena puede interrumpirse. Por lo tanto, existe una masa crítica de material fisionable, es decir, su masa mínima a la que se mantendrá una reacción en cadena. Depende de varios parámetros, incluida la presencia de un reflector que rodee el núcleo del reactor. Sirve para evitar la fuga de neutrones al medio ambiente. El material más común para este elemento estructural es grafito

Los procesos que ocurren en el reactor van acompañados de la liberación del tipo peligroso radiación - radiación gamma. Para minimizar este peligro, proporciona protección anti-radiación.

Cómo funciona un reactor nuclear

El combustible nuclear, llamado elementos combustibles, se coloca en el núcleo del reactor. Son tabletas formadas a partir de un material fisible y envasadas en tubos delgados de unos 3,5 m de largo y 10 mm de diámetro.

Cientos de elementos combustibles del mismo tipo se colocan en el núcleo y se convierten en fuentes de energía térmica liberada durante la reacción en cadena. El refrigerante que lava las barras de combustible forma el primer circuito del reactor.

calentado parámetros altos, es bombeado por la bomba al generador de vapor, donde transfiere su energía al agua del circuito secundario, convirtiéndola en vapor. El vapor resultante hace girar el generador de turbina. La electricidad generada por esta unidad se transfiere al consumidor. Y el vapor de escape, enfriado por agua del estanque de enfriamiento, en forma de condensado, se devuelve al generador de vapor. El ciclo se cierra.

Tal doble circuito la operación de una instalación nuclear excluye la penetración de la radiación que acompaña a los procesos que ocurren en el núcleo más allá de sus límites.

Así, en el reactor tiene lugar una cadena de transformaciones de energía: la energía nuclear del material fisionable → en energía cinética de los fragmentos → energía térmica del refrigerante → energía cinética de la turbina → y en energía eléctrica en el generador.

La inevitable pérdida de energía conduce al hecho de que La eficiencia de las centrales nucleares es relativamente baja, 33-34%.

Además de generar energía eléctrica en las centrales nucleares, los reactores nucleares se utilizan para producir varios isótopos radiactivos, para la investigación en muchas áreas de la industria y para estudiar los parámetros permisibles de los reactores industriales. Los reactores de transporte, que proporcionan energía a los motores de los vehículos, se están generalizando cada vez más.

Tipos de reactores nucleares

Por lo general, los reactores nucleares funcionan con uranio U-235. Sin embargo, su contenido materiales naturales extremadamente pequeño, sólo el 0,7%. La masa principal de uranio natural es el isótopo U-238. Una reacción en cadena en el U-235 solo puede ser causada por neutrones lentos, y el isótopo U-238 solo se fisiona por neutrones rápidos. Como resultado de la fisión nuclear, nacen tanto neutrones lentos como rápidos. Los neutrones rápidos, al experimentar una desaceleración en el refrigerante (agua), se vuelven lentos. Pero la cantidad del isótopo U-235 en el uranio natural es tan pequeña que es necesario recurrir a su enriquecimiento, llevando su concentración al 3-5%. Este proceso es muy costoso y económicamente desventajoso. Además, el tiempo de agotamiento recursos naturales Se estima que este isótopo tiene entre 100 y 120 años.

Por lo tanto, en la industria nuclear hay una transición gradual a reactores que funcionan con neutrones rápidos.

Su principal diferencia es que los metales líquidos se usan como refrigerante, que no ralentiza los neutrones, y el U-238 se usa como combustible nuclear. Los núcleos de este isótopo pasan por una cadena de transformaciones nucleares a plutonio-239, que está sujeto a una reacción en cadena de la misma forma que el U-235. Es decir, hay una reproducción del combustible nuclear, y en una cantidad superior a su consumo.

Según los expertos Las reservas de isótopos de uranio-238 deberían durar 3.000 años. Este tiempo es suficiente para que la humanidad tenga tiempo suficiente para desarrollar otras tecnologías.

Problemas en el uso de la energía nuclear

Así como beneficios obvios energía nuclear, no se puede subestimar la magnitud de los problemas asociados con el funcionamiento de las instalaciones nucleares.

El primero de estos es eliminación de residuos radiactivos y equipos desmantelados energía nuclear. Estos elementos tienen un fondo de radiación activo, que persiste durante un largo período. Para la disposición de estos desechos se utilizan contenedores especiales de plomo. Se supone que deben estar enterrados en las áreas permafrost a profundidades de hasta 600 metros. Por lo tanto, se trabaja constantemente para encontrar una forma de procesar los desechos radiactivos, lo que debería resolver el problema de la eliminación y ayudar a preservar la ecología de nuestro planeta.

El segundo gran problema es garantizar la seguridad durante la operación de la central nuclear. Accidentes importantes como el de Chernobyl pueden cobrarse muchas vidas humanas y dejar inutilizados vastos territorios.

accidente en central nuclear japonesa Fukushima-1 solo confirmó el peligro potencial que se manifiesta en caso de una situación de emergencia en las instalaciones nucleares.

Sin embargo, las posibilidades de la energía nuclear son tan grandes que problemas ecológicos desvanecerse en el fondo.

Hoy en día, la humanidad no tiene otra forma de satisfacer el hambre de energía cada vez mayor. La base de la industria de la energía nuclear del futuro probablemente serán los reactores "rápidos" con la función de generar combustible nuclear.

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