Ядрен реактор

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Активна зона на малък ядрен реактор използван за изследвания.
Активна зона на малък ядрен реактор използван за изследвания.

Ядреният реактор е устройство, в което се задействат, контролират и подържат ядрени верижни реакции (за разлика от ядрената бомба, където подобни реакции се предизвикват за част от секундата и са изцяло неконтролирани). Ядрените реактори се използват за много цели, най-значимата, от които е произвеждането на електричество. Изледователските реактори се изполват за произвеждане на радиоизотопи и за лъчеви експерименти със свободни неутрони.

В момента всички промишлени ядрени реактори са базирани на делене на ядрата. Мненията за безопасността им са противоречиви: смятат се за проблематични заради рискове, свързани с безопасността и здравето. Обратното, други смятат произвеждането на ток чрез ядрени реактори за безопасен и екологичен метод в сравнение с другите разработени до сега. Термоядреният синтез е технология, базирана на съединяване, вместо на делене, но засега е достъпна само неконтролируемата му форма - Водородна бомба.

Съществуват други устройства, в които се използват контролирани ядрени реакции – радиоизотопни термоелектрически генератори и ядрени батерии, които произвеждат топлина и енергия като използват пасивно радиационно разлагане.

Съдържание

[редактиране] История

Въпреки че човечеството е “опитомило” ядрените сили едва наскоро, ядрени реакции са се случвали постоянно от само себе си. 15 природни реактора са били намерени до сега в три отделни рудни депозита в мината Окло в Габон, Западна Африка. Открити първо от френския физик Франсис Перин, те са познати като Фосилните реактори в Окло. Тези реактори са работили приблизително 150 милиона години, със средно произведени 100kW мощност за това време.[източник?] Също така звездите произвеждат светлинно, топлинно и други излъчвания чрез термоядрен синтез. Концепцията на природните ядрени реактори е била формулирана за пръв път през 1956 година от Пол Курода от Канзаския университет. Енрико Ферми и Лео Шилард от Чикагския университет са първите, създали ядрен реактор и демонстрирали контролирана ядрена реакция на 2 декември 1942. През 1955 споделят патент № 2,708,856 за ядрения реактор.

Първите ядрени реактори са използвани за да произвеждат плутоний за ядрени оръжия. Други ядрени реактори са били използвани във флота за задвижване на подводници и самолетоносачи.

В средата на 50-те както Съветския съюз, така и западните държави разширяват ядрените си изследвания за да открият мирна употреби на атома. Все пак, както военните, така и повечето от мирните изследвания били пазени в тайна. На 20 декември 1951г. е произведено за първи път електричество чрез ядрен реактор в ЕБР-1 близо до Арко, Идахо. На 26 юни 1954г. в 5:30 сутринта първата в света ядрена електроцентрала започнала работа в Обниниск, област Калуга в СССР. Мощността ѝ от 5MW, е достатъчна да захрани 2000 дома. Първата ядрена електроцентрала с масови функции – Калдер Хол, била пусната в експлоатация на 17 октомври 1956г. Друг ранен реактор бил реакторът Шипингпорт в Пенсилвания (1957 г.). Още преди инцидента на Тримилния остров (Три майл айлънд) през 1979 г. поръчките за нови реактори в САЩ били прекратени по икономически прични главно поради удълженото време за построяване. От 1978 насам не е поръчвано построяването на нови реактори, макар това да може да се промени до 2010.

За разлика от инцидента през 1979 г, инцидентът в Чернобил през 1986г не увеличава рестрикциите на западните реактори. Това е, защото причината е несигурната конструкция на чернобилските реактори. Този инцидент рефлектира върху политиката на държавите в Европа относно ядрените реактори. През 1987г. в Италия се провежда референдум, който довежда до затварянето на 4-те им ядрени централи.

През 1992 атомна централа в Турция бива ударена директно от урагана Андрю, нанасяйки щети за над 90млн долара. Ураганът засяга главно воден резервоар и един от комините, но разпространение на радиация няма.

Първата организация, разработила използваем реактор - Американския флот, е единствената организация с чисто от инциденти досие. Това е може би заради стриктните изисквания на адмирал Химан Риковър, който е водеща сила във въвеждането на ядреното задвижване на морски съдове. Американският флот е използвал ядрените реактори повече от всяка друга организация с изключение на Съветския флот, без да има известни големи инциденти. Американски подводници – УСС Скорпион и Вършач са потънали, макар причните за това да не са в техните ядрени реактори и местоположението им е известно, така че опасността от радиационно замърсяване се счита за ниска.

[редактиране] Атомната енергия в производството на електричество

Атомната енергия от реакторите обикновено се използва за производство на електричество. Това обикновено се постига чрез стандартен метод, който включва използването на топлината от ядрения реактор за задвижването на парни турбини. Атомната енергия е привлекателна заради относително малките количества гориво, които се използват за производството на огромни количества електричество с почти никакво отделяне на въглероден диоксид.

Атомната енергия е спорна, защото произвежда радиоактивни отпадъци. Такива случаи, макар и вероятността да се случат е минимална могат да доведат до катастрофални последици, като глобано замърсяване с радиационни излъчвания. Модерните реактори са проектирани, така че да използват обеднени ядрени горива и ядрена експлозия е практически невъзможна.

[редактиране] Бъдещето на индустрията

Последната централа пусната в експолатация в САЩ е Уатс Бар, пусната през 1997г. Този пример често е използва като доказателство за успешното провеждана на световната кампания за изваждане от употреба на ядрената мощ. Политическа съпротива, обаче има само в части на Европа, в Нова Зеландия, Филипините и САЩ. Много страни остават активни в разработването на ядрени реактори. Япония, Китай и Индия разработват бързи и термални реактори, Южна Корея и САЩ – само термални, а Южна Африка и Китай разработват версии на реакторите с лещи. Финландия и Франция активно преследват ядрените програми. Финландия има нов европейски реактор под налягане, който се разработва в близост до Арева. Япония провежда активна кампания за построяване на нови реактори, пуксат няколко нови в експлоатация през 2005.

[редактиране] Устройство и принцип на работа

Превръщането на веществото е съпроводено с отделяне на свободна енергия само в този случай, ако това вещество има запас от енергия. Това означава, че микрочастиците на вещесвото се намират в състояние с енергия на покой по-голяма, отколкото в друго възможно състояние, в което е възможно да се извърши преход. Самопроизволния преход винаги е възпрепястван от енергетична бариера, за преодоляването на която микрочастицата трябва да получи отвън известно количество енергия – енергия на възбуждането. Енергетичната реакция се състои в това, че в последвалото след възбуждането превърщане се отделя по-голяма енергия, отколкото е нужна за възбуждане на процеса. Съществуват 2 начина за преодоляване на енергетичната бариера : или за сметка на кинетична енергия на сблъскващите се частици, или за сметка на енергията на връзката на присъединяващата се частица.

Ако имаме предвид микроскопични мащаби на отделяне на енергия, то за възбуждане на реакцията е необходимо кинетична енергия да имат всички частици на веществото. Това е достижимо само при повишаване на температурата на средата до стойности, при които енергията на топлиннто движение се приближава до енергетичния праг, ограничават течението на процеса. В случай на молекулярни превъшания, т.е. при химични реакции това повишение е стотици келвини, а в случай на ядрени реакции това е минимум 107 келвина, заради много голямата височина на кулоновите бариери на сблъскващите се ядра. Топлинното възбуждане на ядрени реакции на практика се осъществява само при синтез на най-леки ядра, при които колоновите бариери са минимални (термоядрен синтез). Възбуждането на присъединяващи се частици не изисква голяма кинетична енергия и следователно не зависи от температурата на средата, тъй като се получава за сметка на неизползваните връзки, присъщи на тези частици. И ако имаме предвид неотделна реакция, а получаването на енергия в макроскопични мащаби, то това е възможно само при възникване на верижна реакция. Тя възниква когато възбуждащите я частици се появяват като продукт на екзоенергетична реакция.

Схематично устройство на хетерогенен реактор с топлинни неутрони.

  1. Управляващи графити
  2. Биологична защита
  3. Топлинна защита
  4. Забавящо устройство
  5. Ядрено гориво
  6. Преносител на топлина

[редактиране] Конструкция

Всеки ядрен реактор се състои от следните части : - активна зона с ядрено гориво и забавящо у-во
- отражател на неутроните, обкръжаващ активната зона
- преносител на топлина(работно тяло)
- система за регулиране на верижната реакция, включваща аварийна защита(Система за управление и защита - СУЗ)
- радиационна(биологична) защита
- система за дистанционно управление
Основна харектиристика на всеки реактор е неговата изходна мощност. Мощност от 1 MW съотвестсва на верижна реакция, при която за 1 секунда протичат 3х10^16 деления.

[редактиране] Физически принципи на работа на реактора

Текущото състояние на ядрения реактор може да бъде характеризирано чрез коефициента на размножение на неутрони (k) или реактивността, които са свързани с форумалата р=(k-1)/k. За тези величини са характерни съответните стойности : k>1 – верижната реакция нараства с времето, реактора се намира в надкритично състояние и р>0. k<1 – реактора затихва, той е подкритичен р<0 k=1, р=0 – броя ядрени деления е постоянен, реактора се намира в стабилно критично състояние.

Условието за критичност на ядрения реактор : k =k0w=1, където пси е частта от образуващите се в реактора неутрони, които се поглъщат в активната зона на реактора с цел избягване електрона да излезе от обема на реактора, а пък k0 е коефициента на размножаване на неутроните в активната зона на реактора. Приравняването на коефициента на размножаване на единица се постига чрез балансиране на размножаването на неутроните с техните загуби. Причните за загуби са 2 : неутрони, които не се делят и неутрони, излезли извън зоната за размножение. Очевидно, че при k<k0 отечката в реален обем е по-голяма от отечката в безкраен обем за това ако във в-вото с даден състав k0<1, то верижна самоподдържаща се е невъзможна както в безкраен, така и в краен обем.

Обемите на съвременните енергетични реактори достигат стотици кубични метри и се определят предимно не от условията за критичност, а от възможността на топловотвода.

Критичния обем на ядрения реактор е обемът на активната му зона в критично състояние. Критичната маса - масата на делящото се вещество в реактора, намиращо се в критично състояние. Най-малка критична маса имат реакторите, в които гориво са водните разтвори на соли, на чисти делящи се изотопи, с водно отразяване на неутроните. За Уран(235) тази маса е 0,8кг, а за Pu(239) – 0,5кг. Теоритично най-малка критична маса има Cf(251), за когото тя е само 10г. С цел намаляване на отечката на неутрони активната зона е конструирана със сферична или близка до сферичната форма като цилиндър или куб.Тъй като тези тела имат най-малко отношение на пълна повърнина към обем. Ролята на бързите неутрони, независимо от формата на активната зона е достатъчно голяма, което е направило възможно създаването на първите графитови реактори с естествен уран. За начало на верижните ракции обикновено са достатъчни неутрони, родени при спонтанно деление при ядрата на урана. Възможно е също използването на външен източник на неуторни за стартиране на реактора, например смеси от Ra, Be, Cf или други вещества.

[редактиране] Материали

Материалите на реакторите трябва да работят при висока температура и при полета от неутрони, гамалъчи и остатъци от делението. Затова, за реакторостроенето са нужни материали с повишени изисквания. При избора им се отчита тяхната радиационна устойчивост, химична инертност, сечение на погълщането и други свойства. Обвивките на реакторите се правят от материали с малко сечение на поглъщане, а за поглъщащи пръти се използват материали с голямо сечение на поглъщане. Това значително съкращава количеството пръчти, нужно за управление на реактора.

Бързите неутрони, гамалъчите и остатъците от делението повреждат структурата на веществото. Например в твърдо вещество бързите неутрони избиват атоми от кристалната решетка или ги преместват от местата им. В следствие на това се влошават пластичните свойства и топлопроводността на материалите. Сложните молекули под действие на излъчване се разпадат на по прости молекули или на съставящите ги атоми. Например водата се разлага на водород и кислород, това явление е известно под името радиолиза на водата.

Радиационна неустойчивост на материалите се отразява по-слабо при високи температури. Подвижността на атомите става толкова голяма, че вероятността избитите от кристаланата решетка атоми да се върнат на своето място или рекомбинацията на водород и кислород във водородна молекула значимо се увеличава. Реакторните материали контактуват помежду си. Естествено, че контактуващите материали трябва да бъдат химически инертни (съвместими).

Като пример за несъвместимост могат да служат уран и гореща вода, които встъпват в химична реакция. При много материали якостните свойства рязко се влошават с увеличаване на температурата. В енергетичните реактори констукционните материали работят при високи температури. Това ограничава избора на тези материали, особено за тези детайли на реактора, които трябва да издържат и високо налягане.

Общо взето, реакторите се правят от неръждаема топлоустойчива стомана.

[редактиране] Безопасност

Основна статия: Ядрена безопасност

[редактиране] Класификация

По характера на използването си реакторите се делят на :

- експереиментални, предназначени за изучаване на физични величини, чието значение е необходимо за проектиране и експлоатация на ядрени реактори; Мощността им не превишава няколко КW.
- изследователски, в които потоците неутрони и гамакванти създадавани в активната зона се използват за изследвания в областта на ядрената физика, физиката на твърдото тяло, радиационата химия, биологията, за изследвания на материали, предназначени за работа в интезивни неутронни потоци, за производство на изотопи. Мощността им не превишава 100MW.
- изотопни (оръжейни, промишлени) реактори се използват за изработка на изотопи, използвани в ядрените оръжия например Pu239.
- енергетични реактори – предназначени за получаване на електрическа и топлинна енергия, използват се в енергетиката за превръщне на морската вода в сладка. За силови установки на кораби и т.н. Мощността на съврмененните реактори достига 3,5GW.
  • По спектъра на неутроните реакторите се делят на :
- с топлинни неутрони
- с бързи неутрони - бридери, или реактори - размножители
- с междинни неутрони
  • Според разположението на горивото :
- Хетерогенни реактори, в които горивото се намира в активната зона дискретно във вид на блокове между които е разположена забавящата система.
- Хомогенни реактори, в които горивото и забавящата система представляват еднородна смес ( хомогенна система ).

Блoковете от ядрено гориво в хетерогенния реактор се наричат топлоотделящи елементи и се намират в активната зона във възлите на правилна решетка.

  • Според горивото си реакторите работят с:
- естествен уран
- слабо обогатен уран
- чист, делящ се изотоп

Химическия състав на горивото може да бъде метален уран, уранов диоксид и уранов карбид.

  • Според преносителя на топлина реакторите биват:
- водо-водни
- графитно-газови
- с тежка вода
- с органичен толпоносител
- с топлонистел от течен метал
- с топлоносител от разтопни соли
  • Според конструкциите
- корпусни
- канални
  • Според генерация на пара
- външен реактор
- кипящ реактор

[редактиране] Вътрешни препратки