Razlika između atomskog i nuklearnog reaktora. Sigurnost nuklearnih elektrana. Što se dogodilo u nuklearnoj elektrani Černobil

Ogromna energija sićušnog atoma

“Dobra znanost - fizika! Samo je život kratak." Ove riječi pripadaju znanstveniku koji je napravio iznenađujuće mnogo u fizici. Jednom ih je rekao akademik Igor Vasiljevič Kurčatov, tvorac prve nuklearne elektrane na svijetu.

Dana 27. lipnja 1954. godine ova jedinstvena elektrana počela je s radom. Čovječanstvo sada ima još jedan moćan izvor električne energije.

Put do ovladavanja energijom atoma bio je dug i težak. Počelo je u prvim desetljećima 20. stoljeća s otkrićem prirodne radioaktivnosti od strane Curievih, s Bohrovim postulatima, Rutherfordovim planetarnim modelom atoma i dokazom onoga što se danas čini očitom činjenicom - jezgra svakog atoma sastoji se od pozitivno nabijeni protoni i neutralni neutroni.

Godine 1934. bračni par Frédéric i Irène Joliot-Curie (kći Marie Skłodowske-Curie i Pierrea Curiea) otkrili su da njihovo bombardiranje alfa česticama (jezgre atoma helija) može transformirati obične kemijske elemente u radioaktivne. Nova pojava je tzv umjetna radioaktivnost.

I.V.Kurchatov (desno) i A.I.Alikhanov (u sredini) sa svojim učiteljem A.F.Ioffeom. (Rane 30-e.)

Ako se takvo bombardiranje provodi vrlo brzim i teškim česticama, tada počinje kaskada kemijskih transformacija. Elementi s umjetnom radioaktivnošću postupno će ustupiti mjesto stabilnim elementima koji se više neće raspadati.

Uz pomoć zračenja ili bombardiranja lako je ostvariti san alkemičara - napraviti zlato od drugih kemijskih elemenata. Samo će trošak takve transformacije znatno premašiti cijenu dobivenog zlata...

Nuklearna fisija urana

Ono što je 1938.-1939. otkrila skupina njemačkih fizičara i kemičara donijelo je više koristi (i, nažalost, tjeskobe) čovječanstvu. fisija jezgri urana. Kada su ozračene neutronima, teške jezgre urana raspadaju se na lakše kemijske elemente koji pripadaju srednjem dijelu periodni sustav Mendeljejev, i oslobodi nekoliko neutrona. Za jezgre lakih elemenata ti se neutroni pokazuju suvišnima... Kada se jezgre urana "podijele", može započeti lančana reakcija: svaki od dva ili tri rezultirajuća neutrona sposoban je, zauzvrat, proizvesti nekoliko neutrona, padajući u jezgru susjednog atoma.

Pokazalo se da je ukupna masa proizvoda takve nuklearne reakcije, kako su izračunali znanstvenici, manja od mase jezgri izvorne tvari - urana.

Prema Einsteinovoj jednadžbi, koja povezuje masu i energiju, lako se može zaključiti da se u ovom slučaju mora osloboditi ogromna energija! I to će se dogoditi u zanemarivo kratkom vremenu. Ako, naravno, lančana reakcija postane nekontrolirana i ode do kraja...

U šetnji nakon konferencije E. Fermi (desno) sa svojim učenikom B. Pontecorvom. (Basel, 1949.)

Ogroman fizički i tehničke mogućnosti, skriven u procesu fisije urana, bio je jedan od prvih koji je cijenio Enrico Fermi, tih dalekih tridesetih godina našeg stoljeća, još vrlo mlad, ali već priznati poglavar talijanske škole fizičara. Davno prije Drugog svjetskog rata on je sa skupinom nadarenih suradnika proučavao ponašanje razne tvari tijekom neutronskog zračenja i utvrdio da se učinkovitost procesa fisije urana može značajno povećati... usporavanjem kretanja neutrona. Koliko god to na prvi pogled izgledalo čudno, kako se brzina neutrona smanjuje, povećava se vjerojatnost da će ih zahvatiti jezgre urana. Učinkoviti “moderatori” neutrona su sasvim dostupne tvari: parafin, ugljik, voda...

Nakon što se preselio u Sjedinjene Države, Fermi je nastavio biti mozak i srce tamošnjeg nuklearnog istraživanja. U Fermiju su spojena dva talenta, obično međusobno isključiva: izvanredan teoretičar i briljantni eksperimentator. “Proći će još dosta vremena dok mu ne budemo mogli vidjeti ravnog”, napisao je ugledni znanstvenik W. Zinn nakon Fermijeve prerane smrti od zloćudnog tumora 1954. godine u 53. godini života.

Tim znanstvenika koji se okupio oko Fermija tijekom Drugog svjetskog rata odlučio je stvoriti oružje neviđene razorne moći temeljeno na lančanoj reakciji fisije urana - atomska bomba. Znanstvenicima se žurilo: što ako nacistička Njemačka prije svih uspije proizvesti novo oružje i upotrijebi ga u svojoj nehumanoj potrazi za porobljavanjem drugih naroda?

Izgradnja nuklearnog reaktora u našoj zemlji

Već 1942. znanstvenici su ga uspjeli sastaviti i lansirati na teritoriju stadiona Sveučilišta u Chicagu prvi nuklearni reaktor. Uranove šipke u reaktoru bile su prošarane ugljikovim “ciglama” – moderatorima, a ako bi lančana reakcija ipak postala previše burna, mogla bi se brzo zaustaviti uvođenjem kadmijevih ploča u reaktor, koje su odvajale uranove šipke i potpuno apsorbirale neutrone.

Istraživači su bili jako ponosni na ono do čega su došli jednostavni uređaji reaktoru, koji nam sada izmame osmijeh. Jedan od Fermijevih suradnika u Chicagu, poznati fizičar G. Anderson, prisjeća se da je kadmijev kositar bio prikovan za drveni blok, koji je, ako je bilo potrebno, trenutno padao u kotao pod utjecajem vlastite gravitacije, što je bio razlog da ga naziv "instant". G. Anderson piše: “Prije pokretanja kotla, ovu šipku je trebalo povući i učvrstiti užetom. U slučaju nesreće, uže bi se moglo presjeći i “trenutak” bi zauzeo svoje mjesto u kotlu.”

U nuklearnom reaktoru postignuta je kontrolirana lančana reakcija te su testirani teorijski izračuni i predviđanja. U reaktoru se dogodio lanac kemijskih transformacija, uslijed kojih su nastale nove kemijski element- plutonij. On se, kao i uran, može koristiti za stvaranje atomske bombe.

Znanstvenici su utvrdili da postoji "kritična masa" urana ili plutonija. Ako postoji dovoljno velika količina atomske tvari, lančana reakcija dovodi do eksplozije; ako je mala, manja od "kritične mase", tada se jednostavno oslobađa toplina.

Izgradnja nuklearne elektrane

U atomskoj bombi najjednostavniji dizajn dva komada urana ili plutonija položena su jedan do drugoga, a masa svakog je nešto manja od kritične. U pravom trenutku, fitilj od konvencionalnog eksploziva spaja dijelove, masa atomskog goriva prelazi kritičnu vrijednost - i trenutno dolazi do oslobađanja razorne energije monstruozne sile...

Blještavo svjetlosno zračenje, udarni val koji je odnosio sve što mu se našlo na putu i prodorna radioaktivna radijacija pogodili su stanovnike dvaju japanskih gradova - Hirošime i Nagasakija - nakon eksplozije američkih atomskih bombi 1945. godine, ulivajući otada tjeskobu u srca ljudi. o strašnim posljedicama uporabe atomskih bombi.

Pod ujedinjujućim znanstvenim vodstvom I.V.Kurchatova, sovjetski fizičari razvili su atomsko oružje.

Ali voditelj tih radova nije prestao razmišljati o mirnodopskoj uporabi atomske energije. Uostalom, nuklearni reaktor mora se intenzivno hladiti, pa zašto tu toplinu ne “dati” parnoj ili plinskoj turbini ili je koristiti za grijanje kuća?

Cijevi s tekućim niskotaljivim metalom propuštene su kroz nuklearni reaktor. Zagrijani metal je ulazio u izmjenjivač topline, gdje je svoju toplinu predao vodi. Voda se pretvorila u pregrijanu paru, a turbina je počela raditi. Reaktor je bio okružen zaštitnim omotačem od betona s metalnim punilom: radioaktivno zračenje ne bi smjelo izaći van.

Nuklearni reaktor se pretvorio u nuklearnu elektranu, donoseći mirnu svjetlost ljudima, ugodna toplina, željeni svijet...

Lančana reakcija fisije uvijek je popraćena oslobađanjem ogromne energije. Praktična uporaba te energije glavna je zadaća nuklearnog reaktora.

Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se odvija kontrolirana, odnosno kontrolirana reakcija nuklearne fisije.

Prema principu rada nuklearni reaktori se dijele u dvije skupine: reaktori na toplinske neutrone i reaktori na brze neutrone.

Kako radi nuklearni reaktor s toplinskim neutronom?

Tipični nuklearni reaktor ima:

• Jezgra i moderator;
• Reflektor neutrona;
• rashladna tekućina;
• Kontrolni sustav lančane reakcije, zaštita u slučaju nužde;
• Sustav kontrole i zaštite od zračenja;
• Sustav daljinskog upravljanja.

1 - aktivna zona; 2 - reflektor; 3 - zaštita; 4 - upravljačke šipke; 5 - rashladna tekućina; 6 - pumpe; 7 - izmjenjivač topline; 8 - turbina; 9 - generator; 10 - kondenzator.

Jezgra i moderator

U jezgri se događa kontrolirana lančana reakcija fisije.

Većina nuklearnih reaktora radi na teškim izotopima urana-235. Ali u prirodnim uzorcima uranove rude njegov sadržaj je samo 0,72%. Ova koncentracija nije dovoljna za razvoj lančane reakcije. Stoga se ruda umjetno obogaćuje, čime se sadržaj ovog izotopa povećava na 3%.

Fisijski materijal, odnosno nuklearno gorivo, u obliku tableta nalazi se u hermetički zatvorenim šipkama koje se nazivaju gorivne šipke (gorivi elementi). Prožimaju cijelu aktivnu zonu ispunjenu moderator neutroni.

Zašto je potreban moderator neutrona u nuklearnom reaktoru?

Činjenica je da neutroni rođeni nakon raspada jezgri urana-235 imaju vrlo veliku brzinu. Vjerojatnost njihovog hvatanja drugim jezgrama urana je stotinama puta manja od vjerojatnosti hvatanja sporih neutrona. A ako se njihova brzina ne smanji, nuklearna reakcija može s vremenom zamrijeti. Moderator rješava problem smanjenja brzine neutrona. Ako se na put brzih neutrona stavi voda ili grafit, njihova se brzina može umjetno smanjiti i tako povećati broj čestica koje atomi zarobe. Istovremeno će lančana reakcija u reaktoru zahtijevati manje nuklearnog goriva.

Kao rezultat usporavanja procesa, toplinski neutroni, čija je brzina gotovo jednaka brzini toplinskog kretanja molekula plina na sobnoj temperaturi.

Voda, teška voda (deuterijev oksid D 2 O), berilij i grafit koriste se kao moderator u nuklearnim reaktorima. Ali najbolji moderator je teška voda D2O.

Reflektor neutrona

Kako bi se izbjeglo curenje neutrona u okruženje, jezgra nuklearnog reaktora je okružena reflektor neutrona. Materijal koji se koristi za reflektore često je isti kao i za moderatore.

Rashladno sredstvo

Toplina koja se oslobađa tijekom nuklearne reakcije uklanja se rashladnom tekućinom. Konvencionalna voda često se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnim reaktorima. prirodna voda, prethodno pročišćen od raznih nečistoća i plinova. Ali budući da voda već ključa na temperaturi od 100 0 C i tlaku od 1 atm, kako bi se povećala točka vrenja, povećava se tlak u primarnom krugu rashladnog sredstva. Voda primarnog kruga koja cirkulira kroz jezgru reaktora pere gorivne šipke, zagrijavajući se do temperature od 320 0 C. Zatim, unutar izmjenjivača topline, predaje toplinu vodi sekundarnog kruga. Izmjena se odvija kroz cijevi za izmjenu topline, tako da nema kontakta s vodom sekundarnog kruga. Time se sprječava ulazak radioaktivnih tvari u drugi krug izmjenjivača topline.

I onda se sve događa kao u termoelektrani. Voda se u drugom krugu pretvara u paru. Para pokreće turbinu koja pokreće električni generator koji proizvodi električnu struju.

U teškovodnim reaktorima rashladno sredstvo je teška voda D2O, a u reaktorima s tekućim metalnim rashladnim sredstvom rastaljeni metal.

Kontrolni sustav lančane reakcije

Trenutno stanje reaktora karakterizira veličina tzv reaktivnost.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Gdje k – faktor množenja neutrona,

n i - broj neutrona sljedeće generacije u reakciji nuklearne fisije,

n i -1 , - broj neutrona prethodne generacije u istoj reakciji.

Ako k ˃ 1 , lančana reakcija raste, sustav se zove superkritičan g. Ako k< 1 , lančana reakcija se gasi, a sustav se zove subkritičan. Na k = 1 reaktor je unutra stabilno kritično stanje, budući da se broj fisijskih jezgri ne mijenja. U ovom stanju reaktivnost ρ = 0 .

Kritično stanje reaktora (potrebni faktor umnožavanja neutrona u nuklearnom reaktoru) održava se pomicanjem kontrolne šipke. Materijal od kojeg su izrađeni uključuje tvari koje apsorbiraju neutrone. Produživanjem ili guranjem ovih šipki u jezgru kontrolira se brzina reakcije nuklearne fisije.

Upravljački sustav omogućuje upravljanje reaktorom tijekom njegovog pokretanja, planiranog gašenja, rada na snazi, kao i hitnu zaštitu nuklearnog reaktora. To se postiže promjenom položaja upravljačkih šipki.

Ako neki od parametara reaktora (temperatura, tlak, brzina porasta snage, potrošnja goriva itd.) odstupa od norme, a to može dovesti do nesreće, posebna šipke za hitne slučajeve a nuklearna reakcija brzo prestaje.

Osigurajte da su parametri reaktora u skladu sa standardima sustavi kontrole i zaštite od zračenja.

Radi zaštite okoliša od radioaktivnog zračenja, reaktor je smješten u debelo betonsko kućište.

Sustavi daljinskog upravljanja

Svi signali o stanju nuklearnog reaktora (temperatura rashladne tekućine, razina zračenja u različite dijelove reaktor, itd.) dolaze do upravljačke ploče reaktora i obrađuju se računalni sustavi. Operater dobiva sve potrebne informacije i preporuke za otklanjanje određenih odstupanja.

Brzi reaktori

Razlika između reaktora ove vrste i reaktora toplinskih neutrona je u tome što se brzi neutroni koji nastaju nakon raspada urana-235 ne usporavaju, već ih apsorbira uran-238 i zatim pretvara u plutonij-239. Stoga se brzi neutronski reaktori koriste za proizvodnju oružnog plutonija-239 i toplinske energije koju generatori nuklearnih elektrana pretvaraju u električnu energiju.

Nuklearno gorivo u takvim reaktorima je uran-238, a sirovina uran-235.

U prirodnoj rudi urana 99,2745% je uran-238. Kada se toplinski neutron apsorbira, on ne fisira, već postaje izotop urana-239.

Neko vrijeme nakon β-raspada, uran-239 se pretvara u jezgru neptunija-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Nakon drugog β-raspada nastaje fisijski plutonij-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

I konačno, nakon alfa raspada jezgre plutonija-239, dobiva se uran-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Gorivne šipke sa sirovinama (obogaćeni uran-235) nalaze se u jezgri reaktora. Ova zona je okružena zonom razmnožavanja, koja se sastoji od gorivih šipki s gorivom (osiromašeni uran-238). Brze neutrone emitirane iz jezgre nakon raspada urana-235 hvataju jezgre urana-238. Kao rezultat toga nastaje plutonij-239. Tako se novo nuklearno gorivo proizvodi u reaktorima na brze neutrone.

Tekući metali ili njihove mješavine koriste se kao rashladna sredstva u nuklearnim reaktorima s brzim neutronima.

Podjela i primjena nuklearnih reaktora

Nuklearni reaktori uglavnom se koriste u nuklearnim elektranama. Uz njihovu pomoć, električni i toplinska energija u industrijskim razmjerima. Takvi se reaktori nazivaju energije .

Nuklearni reaktori naširoko se koriste u pogonskim sustavima modernih nuklearnih podmornica, površinskih brodova iu svemirskoj tehnologiji. Opskrbljuju motore električnom energijom i nazivaju se transportni reaktori .

Za znanstveno istraživanje u području nuklearne fizike i radijacijske kemije koriste se tokovi neutrona i gama kvanta koji se dobivaju u jezgri istraživački reaktori. Njihova energija ne prelazi 100 MW i ne koristi se u industrijske svrhe.

Vlast eksperimentalni reaktori još manje. Dostiže vrijednost od samo nekoliko kW. Ovi se reaktori koriste za proučavanje raznih fizikalne veličine, čije je značenje važno u dizajnu nuklearnih reakcija.

DO industrijski reaktori uključuju reaktore za proizvodnju radioaktivnih izotopa koji se koriste u medicinske svrhe, kao iu raznim područjima industrije i tehnologije. Reaktori za desalinizaciju morska voda odnosi se i na industrijske reaktore.

Nuklearni reaktori imaju jedan zadatak: cijepati atome u kontroliranoj reakciji i koristiti oslobođenu energiju za stvaranje električna energija. Dugi niz godina na reaktore se gledalo i kao na čudo i kao na prijetnju.

Kada je prvi komercijalni američki reaktor pušten u rad u Shippingportu, Pennsylvania, 1956., tehnologija je hvaljena kao izvor energije budućnosti, a neki su vjerovali da će reaktori proizvodnju električne energije učiniti previše jeftinom. U svijetu su sada izgrađena 442 nuklearna reaktora, a oko četvrtina tih reaktora nalazi se u Sjedinjenim Državama. Svijet je postao ovisan o nuklearnim reaktorima koji proizvode 14 posto električne energije. Futuristi su čak maštali o nuklearnim automobilima.

Kada je reaktor jedinice 2 u elektrani Three Mile Island u Pennsylvaniji doživio kvar na sustavu hlađenja i djelomično topljenje radioaktivnog goriva 1979. godine, topli osjećaji o reaktorima radikalno su se promijenili. Iako je uništeni reaktor bio zatvoren i nije emitirano ozbiljno zračenje, mnogi su ljudi počeli gledati na reaktore kao na presložene i ranjive, s potencijalno katastrofalnim posljedicama. Ljudi su također bili zabrinuti zbog radioaktivnog otpada iz reaktora. Zbog toga je izgradnja novih nuklearnih elektrana u Sjedinjenim Državama zaustavljena. Kada se dogodila teža nesreća na Černobilska nuklearna elektrana u Sovjetskom Savezu 1986. nuklearna energija se činila osuđenom na propast.

No početkom 2000-ih nuklearni reaktori počeli su se vraćati, zahvaljujući sve većoj potražnji za energijom i sve manjim zalihama fosilnih goriva, kao i sve većoj zabrinutosti zbog klimatskih promjena koje proizlaze iz emisija ugljičnog dioksida.

No, u ožujku 2011. dogodila se još jedna kriza - ovoga puta nuklearna elektrana Fukushima 1 u Japanu teško je oštećena u potresu.

Korištenje nuklearne reakcije

Jednostavno rečeno, nuklearni reaktor razdvaja atome i oslobađa energiju koja njihove dijelove drži zajedno.

Ako ste zaboravili fiziku gimnazija, podsjetit ćemo vas kako nuklearna fisija djela. Atomi su kao sićušni solarni sustavi, s jezgrom poput Sunca i elektronima poput planeta u orbiti oko njega. Jezgra se sastoji od čestica koje se nazivaju protoni i neutroni, a koje su međusobno povezane. Sila koja veže elemente jezgre teško je i zamisliti. Mnogo je milijardi puta jača od sile gravitacije. Unatoč toj golemoj sili, moguće je razdvojiti jezgru—ispaljivanjem neutrona na nju. Kada se to učini, oslobodit će se mnogo energije. Kada se atomi raspadaju, njihove se čestice sudaraju s obližnjim atomima, cijepajući ih, a oni su sljedeći, i sljedeći, i sljedeći. Postoji tzv lančana reakcija.

Uran, element s velikim atomima, idealan je za proces fisije jer je sila koja veže čestice njegove jezgre relativno slaba u usporedbi s drugim elementima. Nuklearni reaktori koriste određeni izotop tzv Utrčao-235 . Uran-235 je rijedak u prirodi, a ruda iz rudnika urana sadrži samo oko 0,7% urana-235. Zbog toga se koriste reaktori obogaćenUrane, koji nastaje odvajanjem i koncentriranjem urana-235 kroz proces plinske difuzije.

Proces lančane reakcije može se stvoriti u atomskoj bombi, slično onima bačenim na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki tijekom Drugog svjetskog rata. Ali u nuklearnom reaktoru, lančana reakcija se kontrolira umetanjem kontrolnih šipki napravljenih od materijala kao što su kadmij, hafnij ili bor koji apsorbiraju neke od neutrona. To i dalje omogućuje procesu fisije da oslobodi dovoljno energije da zagrije vodu na oko 270 stupnjeva Celzijevih i pretvori je u paru, koja se koristi za okretanje turbina elektrane i proizvodnju električne energije. Uglavnom, u ovom slučaju, kontrolirana nuklearna bomba radi umjesto ugljena za stvaranje električne energije, osim što energija za kuhanje vode dolazi od cijepanja atoma umjesto izgaranja ugljika.

Komponente nuklearnog reaktora

Postoji nekoliko različitih tipova nuklearnih reaktora, ali svi imaju nešto opće karakteristike. Svi oni imaju zalihe radioaktivnog pelete za gorivo- obično uranov oksid, koji se nalazi u cijevima kako bi se formirale gorive šipke aktivne zoneereaktor.

Reaktor također ima prethodno navedeno menadžerieštapI- napravljen od materijala koji apsorbira neutrone kao što je kadmij, hafnij ili bor, koji se umeće da kontrolira ili zaustavi reakciju.

Reaktor također ima moderator, tvar koja usporava neutrone i pomaže u kontroli procesa fisije. Većina reaktora u Sjedinjenim Državama koristi običnu vodu, ali reaktori u drugim zemljama ponekad koriste grafit, ili težakvauvodana, u kojem je vodik zamijenjen deuterijem, izotopom vodika s jednim protonom i jednim neutronom. Drugi važan dio sustava je hlađenjeOhtekućinab, tipično obična voda, koja apsorbira i prenosi toplinu iz reaktora kako bi stvorila paru za okretanje turbine i hladi područje reaktora tako da ne dosegne temperaturu na kojoj će se uran rastopiti (oko 3815 stupnjeva Celzijusa).

Konačno, reaktor je zatvoren školjkena, velika, teška građevina, obično nekoliko metara debela, napravljena od čelika i betona koja zadržava radioaktivne plinove i tekućine unutra gdje nikome ne mogu naškoditi.

Postoji niz raznih dizajna reaktora u uporabi, ali jedan od najčešćih je energetski reaktor s vodom pod tlakom (VVER). U takvom reaktoru voda dolazi u kontakt s jezgrom i zatim tamo ostaje pod takvim pritiskom da se ne može pretvoriti u paru. Ta voda zatim dolazi u kontakt s vodom bez tlaka u generatoru pare, koja se pretvara u paru, koja okreće turbine. Postoji i dizajn reaktor velike snage vrsta kanala (RBMK) s jednim krugom vode i brzi neutronski reaktor s dva natrijeva i jednim vodenim krugom.

Koliko je siguran nuklearni reaktor?

Odgovor na ovo pitanje prilično je težak i ovisi o tome koga pitate i kako definirate "sigurno". Jeste li zabrinuti zbog radijacije ili radioaktivnog otpada koji nastaje u reaktorima? Ili ste više zabrinuti zbog mogućnosti katastrofalne nesreće? Koji stupanj rizika smatrate prihvatljivim kompromisom za dobrobiti nuklearne energije? A koliko vjerujete državi i nuklearnoj energiji?

"Zračenje" je jak argument, uglavnom zato što svi znamo da velike doze zračenja, poput one od nuklearne bombe, mogu ubiti mnogo tisuća ljudi.

Zagovornici nuklearne energije, međutim, ističu da smo svi redovito izloženi zračenju iz raznih izvora, uključujući kozmičke zrake i prirodno zračenje koje emitira Zemlja. Prosječna godišnja doza zračenja je oko 6,2 milisiverta (mSv), od čega polovica iz prirodnih izvora, a polovica iz umjetnih izvora, u rasponu od rendgenskih snimaka prsnog koša, detektora dima i svjetlećih brojčanika satova. Koliko zračenja dobivamo od nuklearnih reaktora? Samo mali djelić postotka naše tipične godišnje izloženosti iznosi 0,0001 mSv.

Dok sve nuklearne elektrane neizbježno ispuštaju male količine zračenja, regulatorne komisije postavljaju operatere elektrana na stroge zahtjeve. Ne smiju izlagati ljude koji žive oko elektrane više od 1 mSv godišnje, a radnici u elektrani imaju prag od 50 mSv godišnje. To se može činiti puno, ali prema Nuklearnoj regulatornoj komisiji, nema medicinskih dokaza da godišnje doze zračenja ispod 100 mSv predstavljaju rizik za ljudsko zdravlje.

No važno je napomenuti da se ne slažu svi s ovom samozadovoljnom procjenom rizika od zračenja. Na primjer, Liječnici za društvenu odgovornost, dugogodišnji kritičar nuklearne industrije, proučavali su djecu koja žive u blizini njemačkih nuklearnih elektrana. Studija je pokazala da ljudi koji žive unutar 5 km od postrojenja imaju dvostruko veći rizik od zaraze leukemijom u usporedbi s onima koji žive dalje od nuklearnih elektrana.

Otpad nuklearnog reaktora

Nuklearnu energiju njezini zagovornici hvale kao "čistu" energiju jer reaktor ne ispušta velike količine stakleničkih plinova u atmosferu u usporedbi s elektranama na ugljen. Ali kritičari ukazuju na još jedan ekološki problem: odlaganje nuklearnog otpada. Dio istrošenog goriva iz reaktora još uvijek oslobađa radioaktivnost. Drugi nepotrebni materijal koji bi trebalo uštedjeti je radioaktivni otpad visoka razina , tekući ostatak od ponovne obrade istrošenog goriva, u kojem ostaje dio urana. Trenutačno se većina tog otpada skladišti lokalno u nuklearnim elektranama u jezercima vode, koja apsorbiraju dio preostale topline proizvedene istrošenim gorivom i pomažu u zaštiti radnika od izloženosti zračenju.

Jedan od problema s istrošenim nuklearnim gorivom je taj što je izmijenjeno procesom fisije. Kada se veliki atomi urana cijepaju, stvaraju nusproizvode—radioaktivne izotope nekoliko lakih elemenata kao što su cezij-137 i stroncij-90, tzv. produkti fisije. Vruće su i visoko radioaktivne, ali se na kraju, u razdoblju od 30 godina, raspadaju u manje opasne oblike. Ovo razdoblje je pozvano za njih nrazdobljeohmpoluživot. Ostali radioaktivni elementi imat će različita vremena poluraspada. Osim toga, neki atomi urana također hvataju neutrone, tvoreći teže elemente kao što je plutonij. Ovi transuranijevi elementi ne stvaraju toliko topline ili prodornog zračenja kao produkti fisije, ali im je potrebno puno više vremena da se raspadnu. Plutonij-239, na primjer, ima poluživot od 24 000 godina.

ove radioaktivanegubljenjes visoka razina iz reaktora opasni su za ljude i druge oblike života jer mogu ispustiti ogromne, smrtonosna doza zračenje čak i od kratkog izlaganja. Deset godina nakon uklanjanja preostalog goriva iz reaktora, na primjer, emitiraju 200 puta više radioaktivnosti na sat nego što je potrebno da se ubije osoba. A ako otpad završi u podzemne vode ili rijeke, mogu ući u hranidbeni lanac i ugroziti veliki broj ljudi.

Budući da je otpad toliko opasan, mnogi su ljudi u teškoj situaciji. 60.000 tona otpada nalazi se u nuklearnim elektranama u blizini većim gradovima. Ali pronaći sigurno mjesto za skladištenje otpada nije lako.

Što može poći po zlu s nuklearnim reaktorom?

Dok se državni regulatori osvrću na svoje iskustvo, inženjeri su proveli mnogo vremena tijekom godina projektirajući reaktore za optimalnu sigurnost. Samo što se ne kvare, rade ispravno i imaju rezervne sigurnosne mjere ako nešto ne bude po planu. Kao rezultat toga, iz godine u godinu nuklearne elektrane se čine prilično sigurnima u usporedbi s, recimo, zračnim prometom, koji redovito ubija između 500 i 1100 ljudi godišnje diljem svijeta.

Međutim, nuklearni reaktori trpe velike kvarove. Na Međunarodnoj ljestvici nuklearnih događaja, koja ocjenjuje nesreće reaktora od 1 do 7, od 1957. bilo je pet nesreća koje su ocijenjene ocjenom od 5 do 7.

Najgora noćna mora je kvar sustava hlađenja, što dovodi do pregrijavanja goriva. Gorivo se pretvara u tekućinu, a zatim izgara kroz spremnik, oslobađajući radioaktivno zračenje. 1979. Jedinica 2 nuklearne elektrane Three Mile Island (SAD) bila je na rubu ovog scenarija. Srećom, dobro osmišljen sustav zadržavanja bio je dovoljno jak da spriječi izlazak radijacije.

SSSR je bio manje sreće. Teška nuklearna nesreća dogodila se u travnju 1986. u 4. bloku nuklearne elektrane Černobil. To je uzrokovano kombinacijom kvarova sustava, nedostataka u dizajnu i loše obučenog osoblja. Tijekom rutinskog testa, reakcija se iznenada pojačala i kontrolne šipke su se zaglavile, spriječivši hitno gašenje. Iznenadno nakupljanje pare izazvalo je dvije toplinske eksplozije, bacajući reaktorski grafitni moderator u zrak. U nedostatku bilo čega za hlađenje gorivnih šipki reaktora, one su se počele pregrijavati i potpuno kolabirati, zbog čega je gorivo poprimilo tekući oblik. Mnogi radnici stanice i likvidatori nesreće su umrli. Velika količina zračenje se proširilo na površinu od 323.749 četvornih kilometara. Broj smrtnih slučajeva uzrokovanih zračenjem još uvijek nije jasan, ali Svjetska zdravstvena organizacija kaže da je ono moglo uzrokovati 9000 smrti od raka.

Proizvođači nuklearnih reaktora daju jamstva na temelju probabilistička procjenae, u kojem pokušavaju uravnotežiti potencijalnu štetu nekog događaja s vjerojatnošću s kojom se on stvarno dogodi. Ali neki kritičari kažu da bi se trebali pripremiti za rijetke, neočekivane, ali vrlo opasne događaje. Primjer je nesreća u nuklearnoj elektrani Fukushima 1 u Japanu u ožujku 2011. godine. Postaja je navodno dizajnirana da izdrži jak potres, ali ne tako katastrofalan kao potres magnitude 9,0 koji je poslao val tsunamija od 14 metara iznad nasipa dizajniranih da izdrže val od 5,4 metra. Navala tsunamija uništila je rezervne dizelske generatore koji su bili namijenjeni za napajanje sustava hlađenja šest reaktora elektrane u slučaju nestanka struje, tako da je čak i nakon što su kontrolne šipke reaktora u Fukushimi prestale s fisijom, još vruće gorivo dopuštalo temperature. da se opasno dižu unutar uništenih reaktora.

Japanski dužnosnici pribjegli su posljednjem rješenju - preplavili su reaktore ogromnim količinama morske vode s aditivom borna kiselina, koji je uspio spriječiti katastrofu, ali je uništio opremu reaktora. Na kraju, uz pomoć vatrogasnih vozila i teglenica, Japanci su uspjeli ispumpati svježa voda u reaktore. Ali do tada je praćenje već pokazalo alarmantne razine radijacije u okolnom kopnu i vodi. U jednom selu 40 km od nuklearne elektrane pronađen je radioaktivni element cezij-137 u razinama mnogo višim nego nakon černobilske katastrofe, što je izazvalo sumnju u mogućnost ljudskog boravka na tom području.

Za običnog čovjeka moderni visokotehnološki uređaji toliko su misteriozni i zagonetni da ih se može obožavati kao što su stari obožavali munje. Školski satovi fizike, prepuni matematičkih proračuna, ne rješavaju problem. Ali čak možete ispričati zanimljivu priču o nuklearnom reaktoru, čije je načelo rada jasno čak i tinejdžeru.

Kako radi nuklearni reaktor?

Princip rada ovog visokotehnološkog uređaja je sljedeći:

1. Kada se neutron apsorbira, nuklearno gorivo (najčešće ovo uran-235 ili plutonij-239) dolazi do fisije atomske jezgre;
2. Oslobađaju se kinetička energija, gama zračenje i slobodni neutroni;
3. Kinetička energija se pretvara u toplinsku energiju (kada se jezgre sudare s okolnim atomima), gama zračenje apsorbira sam reaktor i također se pretvara u toplinu;
4. Dio proizvedenih neutrona apsorbiraju atomi goriva, što uzrokuje lančanu reakciju. Za njegovu kontrolu koriste se apsorberi i moderatori neutrona;
5. Uz pomoć rashladnog sredstva (voda, plin ili tekući natrij), toplina se uklanja s mjesta reakcije;
6. Para pod tlakom iz zagrijane vode koristi se za pogon parnih turbina;
7. Korištenje generatora mehanička energija rotacija turbina se pretvara u izmjeničnu električnu struju.

Pristupi klasifikaciji

Postoji mnogo razloga za tipologiju reaktora:

• Prema vrsti nuklearne reakcije. Fisija (sva komercijalna postrojenja) ili fuzija (termonuklearna energija, raširena samo u nekim istraživačkim institutima);
• Pomoću rashladne tekućine. U velikoj većini slučajeva u tu se svrhu koristi voda (kipuća ili teška). Ponekad se koriste alternativna rješenja: tekući metal (natrij, legura olova i bizmuta, živa), plin (helij, ugljikov dioksid ili dušik), rastaljena sol (fluoridne soli);
• Po generaciji. Prvi su bili rani prototipovi koji nisu imali komercijalnog smisla. Drugo, većina nuklearnih elektrana koje su trenutno u uporabi izgrađena je prije 1996. Treća generacija razlikuje se od prethodne samo manjim poboljšanjima. Rad na četvrtoj generaciji još je u tijeku;
• Po agregatnom stanju gorivo (plinsko gorivo trenutno postoji samo na papiru);
• Prema namjeni korištenja(za proizvodnju električne energije, pokretanje motora, proizvodnju vodika, desalinizaciju, elementarnu transmutaciju, dobivanje neuralnog zračenja, teorijske i istraživačke svrhe).

Struktura nuklearnog reaktora

Glavne komponente reaktora u većini elektrana su:

1. Nuklearno gorivo je tvar potrebna za proizvodnju topline za pogonske turbine (obično nisko obogaćeni uran);
2. Jezgra nuklearnog reaktora mjesto je gdje se odvija nuklearna reakcija;
3. Moderator neutrona - smanjuje brzinu brzih neutrona, pretvarajući ih u toplinske neutrone;
4. Početni izvor neutrona - služi za pouzdano i stabilno pokretanje nuklearne reakcije;
5. Apsorber neutrona - dostupan u nekim elektranama za smanjenje visoke reaktivnosti svježeg goriva;
6. Neutronska haubica - koristi se za ponovno pokretanje reakcije nakon gašenja;
7. Rashladna tekućina (pročišćena voda);
8. Kontrolne šipke - za reguliranje brzine fisije jezgri urana ili plutonija;
9. Pumpa za vodu - pumpa vodu u parni kotao;
10. Parna turbina – pretvara toplinsku energiju pare u rotacijsku mehaničku energiju;
11. Rashladni toranj - uređaj za odvođenje viška topline u atmosferu;
12. Sustav za prihvat i skladištenje radioaktivnog otpada;
13. Sigurnosni sustavi (nužni dizel generatori, uređaji za hitno hlađenje jezgre).

Kako rade najnoviji modeli

Najnovija 4. generacija reaktora bit će dostupna za komercijalni rad ne prije 2030. Trenutno su princip i struktura njihovog rada u fazi razvoja. Prema suvremenim podacima, ove će se izmjene u tome razlikovati od postojećih modela prednosti:

• Sustav brzog hlađenja plina. Pretpostavlja se da će se kao rashladno sredstvo koristiti helij. Prema projektna dokumentacija, na ovaj način je moguće hladiti reaktore s temperaturom od 850 °C. Raditi s takvima visoke temperature ah, trebat će vam i specifične sirovine: kompozit keramičkih materijala i aktinidni spojevi;
• Kao primarno rashladno sredstvo moguće je koristiti olovo ili leguru olova i bizmuta. Ovi materijali imaju nisku stopu apsorpcije neutrona i relativno su niske temperature topljenje;
• Mješavina rastaljenih soli također se može koristiti kao glavno rashladno sredstvo. To će omogućiti rad na višim temperaturama od modernih vodeno hlađenih analoga.

Prirodni analozi u prirodi

Nuklearni reaktor se u javnoj svijesti doživljava isključivo kao proizvod visoke tehnologije. Međutim, zapravo, prvi takav uređaj je prirodnog porijekla. Otkriven je u regiji Oklo u srednjoafričkoj državi Gabon:

• Reaktor je nastao zbog plavljenja uranovih stijena podzemnim vodama. Djelovali su kao moderatori neutrona;
• Toplinska energija koja se oslobađa tijekom raspada urana pretvara vodu u paru i lančana reakcija se zaustavlja;
• Nakon što temperatura rashladne tekućine padne, sve se ponavlja;
• Da tekućina nije iskuhala i zaustavila reakciju, čovječanstvo bi se suočilo s novom prirodnom katastrofom;
• Samoodrživa nuklearna fisija započela je u ovom reaktoru prije otprilike milijardu i pol godina. Tijekom tog vremena osigurano je približno 0,1 milijun vata izlazne snage;
• Takvo svjetsko čudo na Zemlji je jedino poznato. Pojava novih je nemoguća: udio urana-235 u prirodnim sirovinama znatno je niži od razine potrebne za održavanje lančane reakcije.

Koliko nuklearnih reaktora ima u Južnoj Koreji?

Siromašna prirodnim resursima, ali industrijalizirana i prenaseljena, Republika Koreja ima iznimnu potrebu za energijom. U pozadini njemačkog odbijanja korištenja miroljubivog atoma, ova zemlja polaže velike nade u obuzdavanje nuklearne tehnologije:

• Planirano je da do 2035. godine udio električne energije proizvedene u nuklearnim elektranama dosegne 60%, a ukupna proizvodnja više od 40 gigavata;
• Zemlja nema atomsko oružje, ali istraživanja nuklearne fizike su u tijeku. Korejski znanstvenici razvili su nacrte za moderne reaktore: modularne, vodikove, s tekućim metalom itd.;
• Uspjesi domaćih istraživača omogućuju prodaju tehnologija u inozemstvu. Očekuje se da će zemlja izvesti 80 takvih jedinica u sljedećih 15-20 godina;
• Ali danas je većina nuklearnih elektrana izgrađena uz pomoć američkih ili francuskih znanstvenika;
• Broj elektrana u pogonu je relativno mali (samo četiri), ali svaka od njih ima značajan broj reaktora - ukupno 40, a ta brojka će rasti.

Kada je bombardirano neutronima, nuklearno gorivo ulazi u lančanu reakciju, što rezultira proizvodnjom ogromne količine topline. Voda u sustavu preuzima tu toplinu i pretvara se u paru koja pokreće turbine koje proizvode električnu energiju. Ovdje jednostavan sklop rad nuklearnog reaktora, najsnažnijeg izvora energije na Zemlji.

Video: kako rade nuklearni reaktori

U ovom videu nuklearni fizičar Vladimir Chaikin ispričat će vam kako se električna energija stvara u nuklearnim reaktorima i njihovu detaljnu strukturu:

Danas ćemo krenuti na kratko putovanje u svijet nuklearne fizike. Tema naše ekskurzije bit će nuklearni reaktor. Naučit ćete kako radi, na kojim se fizičkim principima temelji njegov rad i gdje se ovaj uređaj koristi.

Rođenje nuklearne energije

Prvi nuklearni reaktor na svijetu napravljen je 1942. godine u SAD-u eksperimentalna skupina fizičara na čelu s laureatom Nobelova nagrada Enrico Fermi. Istodobno su izveli samoodrživu reakciju fisije urana. Atomski duh je pušten.

Prvi sovjetski nuklearni reaktor pušten je u rad 1946. a 8 godina kasnije, prva nuklearna elektrana na svijetu u gradu Obninsku proizvela je struju. Glavni znanstveni direktor rada u industriji nuklearne energije SSSR-a bio je izvanredan fizičar Igor Vasiljevič Kurčatov.

Od tada se promijenilo nekoliko generacija nuklearnih reaktora, ali glavni elementi njegovog dizajna ostali su nepromijenjeni.

Anatomija nuklearnog reaktora

Ova nuklearna instalacija je čelični spremnik debelih stijenki s cilindričnim kapacitetom u rasponu od nekoliko kubičnih centimetara do mnogo kubičnih metara.

Unutar ovog cilindra je svetinja nad svetinjama - jezgra reaktora. Ovdje se događa lančana reakcija nuklearne fisije.

Pogledajmo kako se taj proces odvija.

Osobito jezgre teških elemenata uran-235 (U-235), pod utjecajem malog energetskog udara sposobni su se raspasti na 2 fragmenta približno jednake mase. Uzročnik ovog procesa je neutron.

Fragmenti su najčešće jezgre barija i kriptona. Svaki od njih nosi pozitivan naboj, stoga ih sile Coulombovog odbijanja prisiljavaju da se razlete u različite strane na oko 1/30 brzine svjetlosti. Ovi fragmenti su nositelji kolosalne kinetičke energije.

Za praktičnu upotrebu energije, potrebno je da njezino oslobađanje bude samoodrživo. Lančana reakcija, Fisija o kojoj je riječ posebno je zanimljiva jer je svaka fisija popraćena emisijom novih neutrona. U prosjeku se proizvedu 2-3 nova neutrona po početnom neutronu. Broj fisibilnih jezgri urana raste poput lavine, uzrokujući oslobađanje ogromne energije. Ako se ovaj proces ne kontrolira, dogodit će se nuklearna eksplozija. Odvija se u .

Za regulaciju broja neutrona u sustav se uvode materijali koji apsorbiraju neutrone, osiguravajući glatko oslobađanje energije. Kao apsorberi neutrona koriste se kadmij ili bor.

Kako obuzdati i iskoristiti ogromnu kinetičku energiju fragmenata? U te svrhe koristi se rashladna tekućina, tj. posebno okruženje, kretanje u kojem se fragmenti usporavaju i zagrijavaju do ekstremno visokih temperatura. Takav medij može biti obična ili teška voda, tekući metali (natrij), kao i neki plinovi. Kako ne bi došlo do prijelaza rashladne tekućine u stanje pare, u jezgri je podržan visoki krvni tlak(do 160 atm). Zbog toga su stijenke reaktora izrađene od čelika debljine deset centimetara posebnih kvaliteta.

Ako neutroni pobjegnu izvan nuklearnog goriva, lančana reakcija može biti prekinuta. Dakle, postoji kritična masa fisibilnog materijala, tj. njegovu minimalnu masu pri kojoj će se održati lančana reakcija. Ovisi o različitim parametrima, uključujući prisutnost reflektora koji okružuje jezgru reaktora. Služi za sprječavanje curenja neutrona u okoliš. Najčešći materijal za ovo strukturni element je grafit.

Procesi koji se odvijaju u reaktoru popraćeni su oslobađanjem opasnog izgleda radiation – gama zračenje. Kako bi se ova opasnost svela na minimum, opremljen je zaštitom od zračenja.

Kako radi nuklearni reaktor?

Nuklearno gorivo, koje se zove gorive šipke, nalazi se u jezgri reaktora. To su tablete izrađene od fisibilnog materijala i smještene u tanke cijevi dužine oko 3,5 m i promjera 10 mm.

Stotine sličnih gorivnih sklopova smještene su u jezgru i one postaju izvori toplinske energije koja se oslobađa tijekom lančane reakcije. Rashladno sredstvo koje teče oko gorivih šipki čini prvi krug reaktora.

Zagrijano na visoki parametri, pumpa se u generator pare, gdje svoju energiju predaje vodi sekundarnog kruga, pretvarajući je u paru. Nastala para okreće turbogenerator. Električna energija proizvedena ovom jedinicom prenosi se potrošaču. A ispušna para, ohlađena vodom iz rashladnog bazena, u obliku kondenzata vraća se u generator pare. Ciklus je završen.

Takav dvostruki krug rad nuklearnog postrojenja sprječava prodor zračenja koje prati procese koji se odvijaju u jezgri izvan njezinih granica.

Dakle, u reaktoru se događa lanac energetskih transformacija: nuklearna energija fisibilnog materijala → u kinetičku energiju fragmenata → toplinska energija rashladnog sredstva → kinetička energija turbine → i u električnu energiju u generatoru.

Neizbježni gubici energije dovode do Učinkovitost nuklearnih elektrana je relativno niska, 33-34%.

Osim za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, nuklearni reaktori koriste se za proizvodnju raznih radioaktivnih izotopa, za istraživanja u mnogim područjima industrije, te za proučavanje dopuštenih parametara industrijskih reaktora. Transportni reaktori, koji osiguravaju energiju za motore vozila, postaju sve rašireniji.

Vrste nuklearnih reaktora

Obično nuklearni reaktori rade na uranu U-235. Međutim, njegov sadržaj je prirodni materijal izuzetno mali, samo 0,7%. Glavninu prirodnog urana čini izotop U-238. Samo spori neutroni mogu izazvati lančanu reakciju u U-235, a izotop U-238 cijepaju samo brzi neutroni. Kao rezultat cijepanja jezgre rađaju se spori i brzi neutroni. Brzi neutroni, koji doživljavaju inhibiciju u rashladnoj tekućini (vodi), postaju spori. Ali količina izotopa U-235 u prirodnom uranu je toliko mala da je potrebno pribjeći njegovom obogaćivanju, dovodeći njegovu koncentraciju na 3-5%. Ovaj proces je vrlo skup i ekonomski neisplativ. Osim toga, vrijeme je sve manje prirodnih resursa Procjenjuje se da ovaj izotop traje samo 100-120 godina.

Stoga se u nuklearnoj industriji Postupno se prelazi na reaktore koji rade na brze neutrone.

Njihova glavna razlika je u tome što kao rashladno sredstvo koriste tekuće metale koji ne usporavaju neutrone, a U-238 se koristi kao nuklearno gorivo. Jezgre ovog izotopa prolaze kroz lanac nuklearnih transformacija u Plutonij-239, koji podliježe lančanoj reakciji na isti način kao U-235. To jest, nuklearno gorivo se reproducira, i to u količinama koje premašuju njegovu potrošnju.

Prema riječima stručnjaka rezerve izotopa urana-238 trebale bi biti dovoljne za 3000 godina. Ovo vrijeme je dovoljno da čovječanstvo ima dovoljno vremena za razvoj drugih tehnologija.

Problemi korištenja nuklearne energije

Zajedno sa očite prednosti nuklearne energije, razmjer problema povezanih s radom nuklearnih postrojenja ne može se podcijeniti.

Prvi je zbrinjavanje radioaktivnog otpada i demontirane opreme nuklearna energija. Ovi elementi imaju aktivno pozadinsko zračenje koje traje dugo. Za zbrinjavanje ovog otpada koriste se posebni olovni spremnici. Oni bi trebali biti pokopani u područjima permafrost na dubini do 600 metara. Stoga se neprestano radi na pronalaženju načina za recikliranje radioaktivnog otpada, što bi trebalo riješiti problem zbrinjavanja i pomoći očuvanju ekologije našeg planeta.

Drugi ne manje ozbiljan problem je osiguranje sigurnosti tijekom rada NEK. Velike nesreće poput Černobila mogu odnijeti mnogo života i goleme teritorije učiniti neupotrebljivima.

Nesreća na Japanska nuklearna elektrana Fukushima-1 samo je potvrdila potencijalnu opasnost koja se javlja kada se dogodi izvanredna situacija u nuklearnim postrojenjima.

No mogućnosti nuklearne energije toliko su velike da ekološki problemi nestati u pozadinu.

Danas čovječanstvo nema drugog načina da zadovolji svoju sve veću glad za energijom. Temelj nuklearne energije budućnosti vjerojatno će biti “brzi” reaktori s funkcijom reprodukcije nuklearnog goriva.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim