Энергетика атомного реактора Управление цепной реакцией деления

Физика атомного реактора

Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.

Ядерные реакторы

Анализ идей радиоактивности в плане их возможных применений в сфере энергетики показывает, что, в принципе, запасенную ядерную энергию можно конвертировать в тепловую (и электрическую) в процессах радиоактивного распада, аннигиляции вещества с антивеществом, ядерных реакциях деления тяжелых ядер (под действием тепловых и/или быстрых нейтронов), или в ядерных реакциях синтеза легких ядер (в первую очередь – изотопов водорода). Однако в настоящее время в энергетике реализован только один класс ядерных процессов – деление ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. В этой лекции мы рассмотрим основные способы утилизации ядерной энергии в реакторах, основанных на цепной реакции деления ядер.

Типы атомных реакторов

В настоящее время основной промышленный способ утилизации ядерной энергии в мирных целях основан на цепной самоподдерживающейся реакции деления некоторых изотопов урана или плутония под действием нейтронов. На практике перевод ядерной энергии в тепловую проводят на устройствах, называемых ядерными реакторами.

Ядерный (атомный) реактор - устройство, в активной зоне которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов. Эта реакция представляет собой самоподдерживающийся процесс деления ядер изотопов урана (или делящихся изотопов других элементов) под действием элементарных частиц -нейтронов, которые благодаря отсутствию электрического заряда легко проникают в атомные ядра.

Основными элементами атомного энергетического реактора являются активная зона, отражатель нейтронов, окружающий активную зону, стержни-поглотители нейтронов, обеспечивающие управление реактором (поддержание энергии на нужном уровне и обеспечение раномерности ее распределения по объему реактора) и аварийную защиту, биологическая защита реактора. Реактор заключен в герметичный металлический корпус (здесь же находится теплообменник). Активная зона реактора содержит в себе ядерное горючее (в реакторах на тепловых нейтронах активная зона содержит также замедлитель нейтронов и некоторые другие компоненты). В ней протекает управляемая цепная ядерная реакция и выделяется энергия деления (в основном – в виде тепловой). Выделенная энергия отводится с помощью теплоносителя. При необходимости, тепловая энергия превращается в электрическую либо с помощью тепловых преобразователей, вмонтированных непосредственно в реактор, или с помощью специального теплоносителя, уносящего тепло к внешнему электрогенератору.

Теоретически возможны более 100 разных типов реакторов, различающихся топливом, замедлителем и теплоносителями. Среди них: реакторы на быстрых нейтронах, т.е. реакторы, не использующие замедлители; охлаждаемые теплоносителем, не находящимся под давлением, например реакторы бассейного типа; реакторы на тепловых нейтронах; гетерогенные реакторы, т.е. реакторы с разделенными ядерным топливом и замедлителем; реакторы насыпного типа; реакторы с гранулированным топливом, с замедлителем, находящимся под высоким давлением, например, реакторы с кипящей водой; реакторы с общим перегревом; реакторы, охлаждаемые водой под давлением, с различными и (или) разделенными замедлителем и теплоносителем, с твердым замедлителем, например, реакторы Магнокса; с замедлителем, не находящимся под давлением, например реакторы бассейнового типа; с различными и (или) разделенными замедлителем и теплоносителем, например натрий-графитовые реакторы; с теплоносителем, находящимся под давлением; с жидким замедлителем, например реакторы с трубами высокого давления; с жидким или газообразным топливом; гомогенные реакторы, т.е. реакторы, в которых ядерное топливо и замедлитель являются однородной средой по отношению к потоку нейтронов; реакторы с одной зоной; реакторы с двумя зонами; подкритические реакторы; интегральные реакторы, т.е. реакторы, в которых части функционально связанные с реактором, не являются существенными для реакции, например теплообменники, расположенные внутри корпуса с активной зоной и др.

По конструкции.

Корпусные реакторы

Канальные реакторы

По способу генерации пара.

Реактор с внешним парогенератором (См. Водо-водяной реактор, ВВЭР)

Кипящий реактор

Классификация МАГАТЭ.

PWR (pressurized water reactors) — водо-водяной реактор (реактор с водой под давлением);

BWR (boiling water reactor) — кипящий реактор;

FBR (fast breeder reactor) — реактор-размножитель на быстрых нейтронах;

GCR (gas-cooled reactor) — газоохлаждаемый реактор;

LWGR (light water graphite reactor) — графито-водный реактор

PHWR (pressurised heavy water reactor) — тяжеловодный реактор

Наиболее распространёнными в мире являются водо-водяные (около 62 %) и кипящие (20 %) реакторы.

 

Атомные реакторы.

Исследовательские

Ф-1 • А-1 • БР-2 • ИБР-2 • БР-5 • БР-10 • БОР-60 • ВВР-С • ВВР-М

Промышленные
(оружейные)

Урановые

А-1 • АВ-1 • АВ-3

Плутониевые

АИ • АДЭ-2 • АДЭ-3 • АДЭ-4 • АДЭ-5 • АДЭ-6

Энергетические

ВВЭР

ВВЭР-210 • ВВЭР-365 • ВВЭР-440 • ВВЭР-1000 • ВВЭР-1200

РБМК

РБМК-1000 • РБМК-1500 • РБМКП-2400 • МКЭР-1500

БН

БН-350 • БН-600 • БН-800

Другие

ЭГП-6 • БРЕСТ • СВБР • ВТГР-300 • ВБЭР-300

Транспортные

Водо-водяные

ВМ-А • ВМ-4 • ОК-650 • КН-З

Жидкометаллические

РМ-1 • МБ-40А (ОК-550)

Космические

Ромашка • Бук • Тополь • Енисей

Ф1.

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в атомной бомбе. Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран или плутоний.
Типы атомных реакторов