Schoolencyclopedie. De eerste atoomreactor en atoombom

Vandaag maken we een korte reis door de wereld van de kernfysica. Het thema van onze excursie zal een kernreactor zijn. Je leert hoe het werkt, welke natuurkundige principes ten grondslag liggen aan de werking ervan en waar dit apparaat wordt gebruikt.

De geboorte van kernenergie

De eerste kernreactor ter wereld werd in 1942 in de VS gebouwd een experimentele groep natuurkundigen onder leiding van Nobelprijswinnaar Enrico Fermi. Tegelijkertijd voerden ze een zichzelf in stand houdende reactie van uraniumsplijting uit. De atoomgeest is vrijgelaten.

De eerste Sovjet-kernreactor werd in 1946 gelanceerd, en acht jaar later genereerde 's werelds eerste kerncentrale in de stad Obninsk stroom. De belangrijkste wetenschappelijk directeur van het werk in de kernenergie-industrie van de USSR was een uitstekend natuurkundige Igor Vasilievich Kurchatov.

Sindsdien zijn verschillende generaties kernreactoren veranderd, maar de belangrijkste elementen van het ontwerp zijn onveranderd gebleven.

Anatomie van een kernreactor

Deze nucleaire installatie is een dikwandige stalen tank met een cilinderinhoud variërend van enkele kubieke centimeter tot vele kubieke meter.

In deze cilinder bevindt zich het heilige der heiligen - reactor kern. Dit is waar de kettingreactie van kernsplijting plaatsvindt.

Laten we eens kijken hoe dit proces plaatsvindt.

Vooral kernen van zware elementen Uranium-235 (U-235), onder invloed van een kleine energieschok kunnen ze uiteenvallen in twee fragmenten van ongeveer gelijke massa. De veroorzaker van dit proces is het neutron.

De fragmenten zijn meestal barium- en kryptonkernen. Elk van hen heeft een positieve lading, dus de afstotingskrachten van Coulomb dwingen hen om in verschillende richtingen uit elkaar te vliegen met een snelheid van ongeveer 1/30 van de lichtsnelheid. Deze fragmenten zijn dragers van kolossale kinetische energie.

Voor het praktische gebruik van energie is het noodzakelijk dat de vrijgave ervan zelfvoorzienend is. Kettingreactie, De splijting in kwestie is vooral interessant omdat elke splijtingsgebeurtenis gepaard gaat met de emissie van nieuwe neutronen. Gemiddeld worden per initieel neutron 2-3 nieuwe neutronen geproduceerd. Het aantal splijtbare uraniumkernen neemt toe als een lawine, waardoor er enorme energie vrijkomt. Als dit proces niet onder controle wordt gehouden, zal er een nucleaire explosie plaatsvinden. Het vindt plaats in .

Om het aantal neutronen te reguleren materialen die neutronen absorberen worden in het systeem geïntroduceerd, zorgen voor een soepele afgifte van energie. Cadmium of boor worden gebruikt als neutronenabsorbeerders.

Hoe kun je de enorme kinetische energie van fragmenten beteugelen en gebruiken? Voor deze doeleinden wordt het koelmiddel gebruikt, d.w.z. een bijzondere, bewegende omgeving waarin de fragmenten worden afgeremd en tot extreem hoge temperaturen worden verhit. Een dergelijk medium kan gewoon of zwaar water, vloeibare metalen (natrium) en sommige gassen zijn. Om de overgang van het koelmiddel naar een damptoestand niet te veroorzaken, in de kern wordt een hoge druk gehandhaafd (tot 160 atm). Om deze reden zijn de reactorwanden gemaakt van tien centimeter dik staal van speciale kwaliteiten.

Als neutronen buiten de splijtstof ontsnappen, kan de kettingreactie worden onderbroken. Daarom is er een kritische massa aan splijtbaar materiaal, d.w.z. de minimale massa waarbij een kettingreactie in stand wordt gehouden. Het hangt af van verschillende parameters, waaronder de aanwezigheid van een reflector rond de reactorkern. Het dient om het lekken van neutronen in het milieu te voorkomen. Het meest voorkomende materiaal voor dit structurele element is grafiet.

De processen die plaatsvinden in de reactor gaan gepaard met het vrijkomen van de gevaarlijkste vorm van straling: gammastraling. Om dit gevaar te minimaliseren, is het uitgerust met antistralingsbescherming.

Hoe werkt een kernreactor?

Kernbrandstof, splijtstofstaven genoemd, wordt in de reactorkern geplaatst. Het zijn tabletten gevormd uit pletbaar materiaal en geplaatst in dunne buisjes van ongeveer 3,5 m lang en 10 mm in diameter.

Honderden soortgelijke brandstofassemblages worden in de kern geplaatst en worden bronnen van thermische energie die vrijkomt tijdens de kettingreactie. Het koelmiddel dat rond de splijtstofstaven stroomt, vormt het eerste circuit van de reactor.

Nadat het tot hoge parameters is verwarmd, wordt het in een stoomgenerator gepompt, waar het zijn energie overbrengt naar het water in het secundaire circuit en dit omzet in stoom. De resulterende stoom roteert de turbogenerator. De elektriciteit die door dit apparaat wordt opgewekt, wordt naar de consument gestuurd. En de uitlaatstoom, gekoeld door water uit de koelvijver, in de vorm van condensaat, keert terug naar de stoomgenerator. De cyclus is voltooid.

Deze dubbelcircuitwerking van een nucleaire installatie elimineert het binnendringen van straling die gepaard gaat met de processen die plaatsvinden in de kern buiten de grenzen ervan.

Er vindt dus een keten van energietransformaties plaats in de reactor: kernenergie van het splijtbare materiaal → in de kinetische energie van fragmenten → thermische energie van het koelmiddel → kinetische energie van de turbine → en in elektrische energie in de generator.

Onvermijdelijke energieverliezen leiden tot Het rendement van kerncentrales is relatief laag, 33-34%.

Naast het opwekken van elektrische energie in kerncentrales, worden kernreactoren gebruikt om verschillende radioactieve isotopen te produceren, voor onderzoek in veel industriële sectoren en om de toelaatbare parameters van industriële reactoren te bestuderen. Transportreactoren, die energie leveren voor voertuigmotoren, worden steeds wijdverspreider.

Soorten kernreactoren

Normaal gesproken draaien kernreactoren op U-235 uranium. Het gehalte aan natuurlijk materiaal is echter extreem laag, slechts 0,7%. Het grootste deel van natuurlijk uranium is de isotoop U-238. Alleen langzame neutronen kunnen een kettingreactie veroorzaken in U-235, en de isotoop U-238 wordt alleen gesplitst door snelle neutronen. Als gevolg van het splijten van de kern worden zowel langzame als snelle neutronen geboren. Snelle neutronen, die remming ervaren in het koelmiddel (water), worden langzaam. Maar de hoeveelheid van de isotoop U-235 in natuurlijk uranium is zo klein dat het nodig is zijn toevlucht te nemen tot de verrijking ervan, waardoor de concentratie op 3-5% komt. Dit proces is erg duur en economisch onrendabel. Bovendien wordt de tijd voor uitputting van de natuurlijke hulpbronnen van deze isotoop geschat op slechts 100-120 jaar.

Dus in de nucleaire industrie Er is een geleidelijke overgang naar reactoren die op snelle neutronen werken.

Hun belangrijkste verschil is dat vloeibare metalen worden gebruikt als koelmiddel, die neutronen niet vertragen, en U-238 wordt gebruikt als nucleaire brandstof. De kernen van deze isotoop doorlopen een keten van nucleaire transformaties in Plutonium-239, dat op dezelfde manier onderhevig is aan een kettingreactie als U-235. Dat wil zeggen dat kernbrandstof wordt gereproduceerd, en wel in hoeveelheden die het verbruik ervan overschrijden.

Volgens experts De reserves van de isotoop Uranium-238 zouden voldoende moeten zijn voor 3000 jaar. Deze tijd is genoeg voor de mensheid om genoeg tijd te hebben om andere technologieën te ontwikkelen.

Problemen bij het gebruik van kernenergie

Naast de voor de hand liggende voordelen van kernenergie kan de omvang van de problemen die verband houden met de exploitatie van nucleaire installaties niet worden onderschat.

De eerste is verwijdering van radioactief afval en ontmantelde apparatuur kernenergie. Deze elementen hebben een actieve achtergrondstraling die langdurig aanhoudt. Om dit afval af te voeren wordt gebruik gemaakt van speciale loden containers. Ze zouden begraven worden in permafrostgebieden op een diepte van maximaal 600 meter. Daarom wordt er voortdurend gewerkt aan het vinden van een manier om radioactief afval te recyclen, wat het probleem van de opberging zou moeten oplossen en de ecologie van onze planeet zou moeten helpen behouden.

Het tweede, niet minder ernstige probleem is het garanderen van de veiligheid tijdens de werking van de kerncentrale. Grote ongelukken zoals Tsjernobyl kunnen vele levens eisen en grote gebieden onbruikbaar maken.

Het ongeval bij de Japanse kerncentrale Fukushima-1 bevestigde alleen maar het potentiële gevaar dat zich manifesteert wanneer zich een noodsituatie voordoet bij nucleaire installaties.

De mogelijkheden van kernenergie zijn echter zo groot dat milieuproblemen naar de achtergrond verdwijnen.

Tegenwoordig heeft de mensheid geen andere manier om haar steeds groter wordende energiehonger te stillen. De basis van de kernenergie van de toekomst zullen waarschijnlijk “snelle” reactoren zijn met als functie kernbrandstof te reproduceren.

Als dit bericht nuttig voor u was, zou ik blij zijn u te zien

Pagina 1

De eerste in de Sovjet-Unie gebouwde kernreactor (uranium-grafiet) werkte op natuurlijk uranium zonder speciale koeling.  

De eerste kernreactor, gemaakt onder leiding van Fermi, werd gelanceerd in 1942. U-235, Pu-239, U-238 en Th-232 worden gebruikt als grondstoffen en splijtstoffen in de reactoren. In het natuurlijke mengsel van uraniumisotopen wordt de isotoop U-238 aangetroffen. Om de processen te begrijpen die plaatsvinden in een reactor met een natuurlijk mengsel van isotopen, is het noodzakelijk rekening te houden met de verschillen die in § 18.8 zijn opgemerkt in de omstandigheden waaronder splijting van de kernen van beide isotopen van uranium plaatsvindt. Deze neutronen kunnen alleen de splijting van U-235-kernen veroorzaken. De paar snelle neutronen waarvan de energie de splijtingsactiveringsenergie van de U-238-kern overschrijdt, zullen eerder inelastische verstrooiing ondergaan, en hun energie ligt in de regel onder de splijtingsdrempel van de U-238-kern. Als gevolg van een reeks botsingen met uraniumkernen verliezen neutronen in kleine hoeveelheden energie, vertragen ze en worden ze ingevangen door straling door U-238-kernen, of worden ze geabsorbeerd door U-235-kernen. De absorptie van neutronen door U-235-kernen bevordert de ontwikkeling van een kettingreactie, terwijl hun absorptie door U-238-kernen neutronen uit de kettingreactie verwijdert en tot de beëindiging van de reactieketens leidt. Berekeningen laten zien dat in een natuurlijk mengsel van uraniumisotopen de kans op ketenbeëindiging groter is dan de kans op reactievertakking en dat er zich geen kettingreactie van splijting kan ontwikkelen met snelle of langzame neutronen.  

De eerste kernreactor, gemaakt onder leiding van Fermi, werd gelanceerd in 1942. U-235, Pu-239, U-238 en Th-232 worden gebruikt als grondstoffen en splijtstoffen in de reactoren. In het natuurlijke mengsel van uraniumisotopen bevat de isotoop U-238 140 keer meer dan de isotoop U-235. Om de processen te begrijpen die plaatsvinden in een reactor met een natuurlijk mengsel van isotopen, is het noodzakelijk rekening te houden met de verschillen die in § 18.8 zijn opgemerkt in de omstandigheden waaronder splijting van de kernen van beide isotopen van uranium plaatsvindt. Deze neutronen kunnen alleen de splijting van U-235-kernen veroorzaken. De paar snelle neutronen waarvan de energie de splijtingsactiveringsenergie van de U-238-kern overschrijdt, zullen eerder inelastische verstrooiing ondergaan, en hun energie ligt in de regel onder de splijtingsdrempel van de U-238-kern. Als gevolg van een reeks botsingen met uraniumkernen verliezen neutronen in kleine hoeveelheden energie, vertragen ze en worden ze ingevangen door straling door U-238-kernen, of worden ze geabsorbeerd door U-235-kernen. De absorptie van neutronen door U-235-kernen bevordert de ontwikkeling van een kettingreactie, terwijl hun absorptie door U-238-kernen neutronen uit de kettingreactie verwijdert en tot de beëindiging van de reactieketens leidt. Berekeningen laten zien dat in een natuurlijk mengsel van uraniumisotopen de kans op ketenbeëindiging groter is dan de kans op reactievertakking en dat er zich geen kettingreactie van splijting kan ontwikkelen met snelle of langzame neutronen.  

De eerste kernreactoren werden gebouwd om aan de dringende eisen van het atoomwapenprogramma te voldoen; Deze eisen zijn al tien jaar dominant in het reactorontwerp. Reactoren voor militaire doeleinden werden in wezen alleen gebruikt voor de productie van plutonium, en de belangrijkste inspanning was gericht op het scheiden van plutonium van natuurlijk of laagverrijkt uranium. De splijtstofelementen in dergelijke reactoren waren gewoonlijk ingesloten in omhulsels van aluminium- of magnesiumlegeringen.  

De eerste kernreactor werd eind 1942 in de VS gebouwd door de Italiaanse natuurkundige Fermi.  

De eerste kernreactor werd eind 1942 in de VS door Fermi en zijn collega's gebouwd uit uranium en grafiet.  

De eerste snelle neutronenkernreactoren werden in ons land gebouwd - dit is de kerncentrale van Beloyarsk, evenals de kerncentrale in de stad Shevchenko. Om de reactor zijn ontwerpcapaciteit te laten bereiken, is het noodzakelijk dat vrijwel alle Np (T/z 2 35 dagen) wordt omgezet in Pu. Bovendien moet het resulterende Pu worden gescheiden van de resterende originele uranium- en fragmentatie-elementen. De chemie van kernreactoren is dus erg complex.  

De eerste kernreactoren werden ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog.  

De eerste kernreactor was niet bedoeld om energie te produceren, hij was nodig om materialen en kennis te vergaren.  

De eerste uraniumkernreactor van kritische omvang werd geïnstalleerd aan de Universiteit van Chicago. Tegen die tijd was er al ongeveer 6 ton puur uranium geproduceerd; Uranium en grafiet werden in opeenvolgende lagen gelegd - 57 lagen in totaal - waarin gaten werden gelaten voor cadmiumstelstaven.  

Hoewel de eerste kernreactor pas twaalf jaar geleden werd gelanceerd, kunnen over deze bijzondere installaties al hele boekdelen geschreven worden. Tegenwoordig zijn er over de hele wereld – in de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten van Amerika, in Frankrijk en Canada, in Noorwegen en Engeland – verschillende soorten reactoren actief. Sommigen van hen dienen onderzoeksdoeleinden, andere wekken energie op, en weer andere zijn echte fabrieken voor de productie van enorme hoeveelheden verschillende radioactieve isotopen. Laten we op zijn minst kort stilstaan ​​bij het ontwerp en de werking van kernreactoren.  

In de eerste kernreactoren werd speciaal grafiet als moderator gebruikt. In grafiet (dichtheid 1,67) legt een neutron gemiddeld 2,53 cm af tussen botsingen met koolstofkernen en verliest 0,158 van zijn energie. Bijgevolg zal het modererende vermogen gelijk zijn aan 0,0625 en tijdens een reis van 1 cm door grafiet zal het snelle neutron 6-25% van zijn energie verliezen.  

Voor een gewoon mens zijn moderne hightech-apparaten zo mysterieus en enigmatisch dat het tijd is om ze te aanbidden, net zoals de Ouden de bliksem aanbaden. Natuurkundelessen op school, vol met wiskundige berekeningen, lossen het probleem niet op. Maar je kunt zelfs een interessant verhaal vertellen over een kernreactor, waarvan het werkingsprincipe zelfs voor een tiener begrijpelijk is.

Hoe werkt een kernreactor?

Het werkingsprincipe van dit hightech apparaat is als volgt:

1. Wanneer een neutron wordt geabsorbeerd, wordt nucleaire brandstof (meestal dit) geproduceerd uranium-235 of plutonium-239) splijting van de atoomkern vindt plaats;
2. Er komen kinetische energie, gammastraling en vrije neutronen vrij;
3. Kinetische energie wordt omgezet in thermische energie (wanneer kernen botsen met omringende atomen), gammastraling wordt geabsorbeerd door de reactor zelf en verandert ook in warmte;
4. Een deel van de geproduceerde neutronen wordt geabsorbeerd door brandstofatomen, wat een kettingreactie veroorzaakt. Om dit te controleren worden neutronenabsorbers en moderators gebruikt;
5. Met behulp van een koelmiddel (water, gas of vloeibaar natrium) wordt warmte van de reactieplaats verwijderd;
6. Stoom onder druk uit verwarmd water wordt gebruikt om stoomturbines aan te drijven;
7. Met behulp van een generator wordt de mechanische energie van de rotatie van de turbine omgezet in elektrische wisselstroom.

Benaderingen van classificatie

Er kunnen veel redenen zijn voor de typologie van reactoren:

• Per type kernreactie. Splijting (alle commerciële installaties) of fusie (thermonucleaire energie, alleen wijdverbreid in sommige onderzoeksinstituten);
• Door koelvloeistof. In veruit de meeste gevallen wordt hiervoor water (kokend of zwaar) gebruikt. Soms worden alternatieve oplossingen gebruikt: vloeibaar metaal (natrium, lood-bismut, kwik), gas (helium, kooldioxide of stikstof), gesmolten zout (fluoridezouten);
• Per generatie. De eerste waren vroege prototypes die commercieel gezien niet zinvol waren. Ten tweede zijn de meeste kerncentrales die momenteel in gebruik zijn, vóór 1996 gebouwd. De derde generatie verschilt slechts op kleine verbeteringen van de vorige. Er wordt nog gewerkt aan de vierde generatie;
• Op aggregatiestatus brandstof (gasbrandstof bestaat momenteel alleen op papier);
• Op gebruiksdoel(voor elektriciteitsproductie, het starten van motoren, waterstofproductie, ontzilting, elementaire transmutatie, verkrijgen van neurale straling, theoretische en onderzoeksdoeleinden).

Ontwerp van kernreactoren

De belangrijkste componenten van reactoren in de meeste energiecentrales zijn:

1. Kernbrandstof is een stof die nodig is om warmte te produceren voor energieturbines (meestal laagverrijkt uranium);
2. De kernreactorkern is waar de kernreactie plaatsvindt;
3. Neutronenmoderator - vermindert de snelheid van snelle neutronen en verandert ze in thermische neutronen;
4. Startende neutronenbron - gebruikt voor het betrouwbaar en stabiel starten van een kernreactie;
5. Neutronenabsorber - verkrijgbaar in sommige energiecentrales om de hoge reactiviteit van verse brandstof te verminderen;
6. Neutronenhouwitser - gebruikt om een ​​reactie opnieuw te initiëren na uitschakeling;
7. Koelvloeistof (gezuiverd water);
8. Regelstaven - om de splijtingssnelheid van uranium- of plutoniumkernen te regelen;
9. Waterpomp - pompt water in de stoomketel;
10. Stoomturbine - zet de thermische energie van stoom om in roterende mechanische energie;
11. Koeltoren - een apparaat om overtollige warmte in de atmosfeer te verwijderen;
12. Ontvangst- en opslagsysteem voor radioactief afval;
13. Veiligheidssystemen (nooddieselgeneratoren, apparaten voor noodkernkoeling).

Hoe de nieuwste modellen werken

De nieuwste reactoren van de vierde generatie zullen beschikbaar zijn voor commerciële exploitatie niet eerder dan 2030. Momenteel bevinden het principe en de structuur van hun werking zich in de ontwikkelingsfase. Volgens moderne gegevens zullen deze wijzigingen daarin verschillen van bestaande modellen voordelen:

• Snel gaskoelsysteem. Aangenomen wordt dat helium als koelmiddel zal worden gebruikt. Volgens de ontwerpdocumentatie kunnen reactoren met een temperatuur van 850 °C op deze manier worden gekoeld. Om bij zulke hoge temperaturen te kunnen werken, zijn specifieke grondstoffen nodig: keramische composietmaterialen en actinideverbindingen;
• Het is mogelijk om lood of een lood-bismut-legering als primair koelmiddel te gebruiken. Deze materialen hebben een lage neutronenabsorptiesnelheid en een relatief laag smeltpunt;
• Als hoofdkoelmiddel kan ook een mengsel van gesmolten zouten worden gebruikt. Dit maakt het mogelijk om bij hogere temperaturen te werken dan moderne watergekoelde tegenhangers.

Natuurlijke analogen in de natuur

Een kernreactor wordt in het publieke bewustzijn uitsluitend gezien als een product van hoogwaardige technologie. Maar in feite de eerste het apparaat is van natuurlijke oorsprong. Het werd ontdekt in de Oklo-regio van de Centraal-Afrikaanse staat Gabon:

• De reactor werd gevormd door de overstroming van uraniumgesteenten door grondwater. Ze fungeerden als neutronenmoderators;
• De thermische energie die vrijkomt tijdens het verval van uranium verandert water in stoom en de kettingreactie stopt;
• Nadat de koelvloeistoftemperatuur is gedaald, herhaalt alles zich opnieuw;
• Als de vloeistof niet was weggekookt en de reactie niet was gestopt, zou de mensheid met een nieuwe natuurramp te maken hebben gehad;
• De zelfvoorzienende kernsplijting begon ongeveer anderhalf miljard jaar geleden in deze reactor. Gedurende deze tijd werd ongeveer 0,1 miljoen watt aan vermogen geleverd;
• Zo'n wereldwonder op aarde is het enige dat bekend is. De opkomst van nieuwe is onmogelijk: het aandeel uranium-235 in natuurlijke grondstoffen is veel lager dan het niveau dat nodig is om een ​​kettingreactie in stand te houden.

Hoeveel kernreactoren zijn er in Zuid-Korea?

Arm aan natuurlijke hulpbronnen, maar geïndustrialiseerd en overbevolkt, heeft de Republiek Korea een buitengewone behoefte aan energie. Tegen de achtergrond van de Duitse weigering om het vreedzame atoom te gebruiken, heeft dit land hoge verwachtingen van het beteugelen van de nucleaire technologie:

• Het is de bedoeling dat tegen 2035 het aandeel van de door kerncentrales opgewekte elektriciteit 60% zal bedragen, en de totale productie meer dan 40 gigawatt zal bedragen;
• Het land beschikt niet over atoomwapens, maar er wordt onderzoek gedaan naar de kernfysica. Koreaanse wetenschappers hebben ontwerpen ontwikkeld voor moderne reactoren: modulair, waterstof, met vloeibaar metaal, enz.;
• De successen van lokale onderzoekers maken het mogelijk om technologieën in het buitenland te verkopen. Verwacht wordt dat het land de komende 15 tot 20 jaar 80 van dergelijke eenheden zal exporteren;
• Maar tot nu toe zijn de meeste kerncentrales gebouwd met de hulp van Amerikaanse of Franse wetenschappers;
• Het aantal operationele centrales is relatief klein (slechts vier), maar elk van hen heeft een aanzienlijk aantal reactoren - in totaal 40, en dit aantal zal groeien.

Wanneer splijtstof wordt gebombardeerd door neutronen, komt er een kettingreactie terecht, wat resulteert in de productie van een enorme hoeveelheid warmte. Het water in het systeem neemt deze warmte op en verandert in stoom, waardoor turbines worden aangedreven die elektriciteit produceren. Hier is een eenvoudig diagram van de werking van een kernreactor, de krachtigste energiebron op aarde.

Video: hoe kernreactoren werken

In deze video vertelt kernfysicus Vladimir Chaikin hoe elektriciteit wordt opgewekt in kernreactoren en hun gedetailleerde structuur:

Kernreactoren hebben één taak: atomen splitsen in een gecontroleerde reactie en de vrijkomende energie gebruiken om elektrische energie op te wekken. Jarenlang werden reactoren gezien als zowel een wonder als een bedreiging.

Toen in 1956 de eerste commerciële Amerikaanse reactor in Shippingport, Pennsylvania, in gebruik werd genomen, werd de technologie geprezen als de energiebron van de toekomst, en sommigen waren van mening dat de reactoren het opwekken van elektriciteit te goedkoop zouden maken. Er zijn nu wereldwijd 442 kernreactoren gebouwd, ongeveer een kwart van deze reactoren staat in de Verenigde Staten. De wereld is afhankelijk geworden van kernreactoren, die 14 procent van de elektriciteit produceren. Futuristen fantaseerden zelfs over nucleaire auto's.

Toen de Unit 2-reactor van de Three Mile Island Power Plant in Pennsylvania in 1979 te maken kreeg met een storing in het koelsysteem en een gedeeltelijke meltdown van de radioactieve brandstof, veranderden de warme gevoelens over reactoren radicaal. Hoewel de vernietigde reactor onder controle was en er geen ernstige straling werd uitgestoten, begonnen veel mensen de reactoren als te complex en kwetsbaar te beschouwen, met mogelijk catastrofale gevolgen. Ook waren mensen bezorgd over het radioactief afval van de reactoren. Als gevolg hiervan is de bouw van nieuwe kerncentrales in de Verenigde Staten tot stilstand gekomen. Toen in 1986 een ernstiger ongeval plaatsvond in de kerncentrale van Tsjernobyl in de Sovjet-Unie, leek kernenergie gedoemd.

Maar begin jaren 2000 begonnen kernreactoren een comeback te maken, dankzij de stijgende vraag naar energie en de afnemende voorraden fossiele brandstoffen, evenals de groeiende bezorgdheid over de klimaatverandering als gevolg van de uitstoot van kooldioxide.

Maar in maart 2011 deed zich opnieuw een crisis voor: deze keer werd de kerncentrale van Fukushima 1 in Japan zwaar beschadigd door een aardbeving.

Gebruik van kernreactie

Simpel gezegd: een kernreactor splitst atomen en laat de energie vrij die hun delen bij elkaar houdt.

Als je natuurkunde op de middelbare school bent vergeten, herinneren we je eraan hoe kernsplijting werken. Atomen lijken op kleine zonnestelsels, met een kern zoals de zon en elektronen die lijken op planeten die eromheen draaien. De kern bestaat uit deeltjes die protonen en neutronen worden genoemd en die aan elkaar zijn gebonden. De kracht die de elementen van de kern bindt, is moeilijk voor te stellen. Het is vele miljarden keren sterker dan de zwaartekracht. Ondanks deze enorme kracht is het mogelijk een kern te splijten – door er neutronen op af te schieten. Als dit gebeurt, komt er veel energie vrij. Wanneer atomen vervallen, botsen hun deeltjes tegen nabijgelegen atomen, waardoor ze worden gesplitst, en die zijn op hun beurt de volgende, en de volgende, en de volgende. Er bestaat een zogenaamde kettingreactie.

Uranium, een element met grote atomen, is ideaal voor het splijtingsproces omdat de kracht die de deeltjes van de kern bindt relatief zwak is vergeleken met andere elementen. Kernreactoren gebruiken een specifieke isotoop genaamd Uliep-235 . Uranium-235 is zeldzaam van aard, waarbij erts uit uraniummijnen slechts ongeveer 0,7% uranium-235 bevat. Daarom worden reactoren gebruikt verrijktUwonden, dat ontstaat door uranium-235 te scheiden en te concentreren via een gasdiffusieproces.

Er kan een kettingreactieproces in gang worden gezet met een atoombom, vergelijkbaar met de bommen die tijdens de Tweede Wereldoorlog op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki zijn gevallen. Maar in een kernreactor wordt de kettingreactie gecontroleerd door regelstaven in te brengen die gemaakt zijn van materialen zoals cadmium, hafnium of boor die een deel van de neutronen absorberen. Hierdoor kan bij het splijtingsproces nog steeds voldoende energie vrijkomen om het water tot ongeveer 270 graden Celsius te verwarmen en om te zetten in stoom, die wordt gebruikt om de turbines van de energiecentrale te laten draaien en elektriciteit op te wekken. Kortom, in dit geval werkt een gecontroleerde atoombom in plaats van steenkool om elektriciteit op te wekken, behalve dat de energie om het water te koken afkomstig is van het splitsen van atomen in plaats van het verbranden van koolstof.

Componenten van kernreactoren

Er zijn verschillende soorten kernreactoren, maar ze hebben allemaal een aantal gemeenschappelijke kenmerken. Ze beschikken allemaal over een voorraad radioactieve brandstofpellets – meestal uraniumoxide – die in buizen zijn gerangschikt om brandstofstaven te vormen. actieve zonesereactor.

De reactor beschikt ook over het eerder genoemde beheerdersehengelEn- gemaakt van een neutronenabsorberend materiaal zoals cadmium, hafnium of boor, dat wordt ingebracht om een ​​reactie te controleren of te stoppen.

De reactor heeft dat ook moderator, een stof die neutronen vertraagt ​​en het splijtingsproces helpt beheersen. De meeste reactoren in de Verenigde Staten gebruiken gewoon water, maar reactoren in andere landen gebruiken soms grafiet zwaarWauwwaterbij, waarin waterstof wordt vervangen door deuterium, een isotoop van waterstof met één proton en één neutron. Een ander belangrijk onderdeel van het systeem is koelingen ikvloeistofB, meestal gewoon water, dat warmte van de reactor absorbeert en overdraagt ​​om stoom te creëren om de turbine te laten draaien en het reactorgebied af te koelen zodat het niet de temperatuur bereikt waarbij het uranium zal smelten (ongeveer 3815 graden Celsius).

Tenslotte wordt de reactor ingesloten schelpenbij, een grote, zware constructie, meestal enkele meters dik, gemaakt van staal en beton die radioactieve gassen en vloeistoffen binnen houdt waar ze niemand kwaad kunnen doen.

Er zijn een aantal verschillende reactorontwerpen in gebruik, maar een van de meest voorkomende is drukwaterkrachtreactor (VVER). In zo'n reactor wordt water in contact gebracht met de kern en blijft daar vervolgens onder zo'n druk staan ​​dat het niet in stoom kan veranderen. Dit water komt vervolgens in de stoomgenerator in contact met drukloos water, dat verandert in stoom, die de turbines laat draaien. Er is ook een ontwerp kanaalreactor met hoog vermogen (RBMK) met één watercircuit en snelle neutronenreactor met twee natrium- en één watercircuit.

Hoe veilig is een kernreactor?

Het beantwoorden van deze vraag is behoorlijk moeilijk en hangt af van wie je het vraagt ​​en hoe je ‘veilig’ definieert. Maakt u zich zorgen over straling of radioactief afval dat wordt gegenereerd in reactoren? Of maakt u zich meer zorgen over de mogelijkheid van een catastrofaal ongeval? Welke mate van risico beschouwt u als een aanvaardbare afweging voor de voordelen van kernenergie? En in hoeverre vertrouwt u de overheid en kernenergie?

‘Straling’ is een sterk argument, vooral omdat we allemaal weten dat grote doses straling, zoals van een atoombom, vele duizenden mensen kunnen doden.

Voorstanders van kernenergie wijzen er echter op dat we allemaal regelmatig worden blootgesteld aan straling uit verschillende bronnen, waaronder kosmische straling en natuurlijke straling die door de aarde wordt uitgezonden. De gemiddelde jaarlijkse stralingsdosis bedraagt ​​ongeveer 6,2 millisievert (mSv), waarvan de helft afkomstig is van natuurlijke bronnen en de helft van door de mens gemaakte bronnen, variërend van röntgenfoto's van de borstkas, rookmelders en lichtgevende wijzerplaten. Hoeveel straling krijgen we van kernreactoren? Slechts een klein deel van een procent van onze typische jaarlijkse blootstelling bedraagt ​​0,0001 mSv.

Hoewel alle kerncentrales onvermijdelijk kleine hoeveelheden straling lekken, houden toezichthoudende commissies exploitanten van centrales aan strenge eisen. Ze mogen de mensen die rond de centrale wonen niet blootstellen aan meer dan 1 mSv straling per jaar, en voor de werknemers in de centrale geldt een drempelwaarde van 50 mSv per jaar. Dat lijkt misschien veel, maar volgens de Nuclear Regulatory Commission is er geen medisch bewijs dat jaarlijkse stralingsdoses van minder dan 100 mSv enig risico voor de menselijke gezondheid opleveren.

Maar het is belangrijk op te merken dat niet iedereen het eens is met deze zelfgenoegzame beoordeling van stralingsrisico's. Physicians for Social Responsibility, al jarenlang criticus van de nucleaire industrie, bestudeerde bijvoorbeeld kinderen die rond Duitse kerncentrales woonden. Uit het onderzoek bleek dat mensen die binnen een straal van vijf kilometer van kerncentrales woonden een dubbel zo groot risico hadden om leukemie op te lopen, vergeleken met degenen die verder van kerncentrales woonden.

Afval van kernreactoren

Kernenergie wordt door de voorstanders aangeprezen als ‘schone’ energie, omdat de reactor geen grote hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer uitstoot in vergelijking met kolencentrales. Maar critici wijzen op een ander milieuprobleem: de verwijdering van kernafval. Bij een deel van de verbruikte splijtstof uit de reactoren komt nog steeds radioactiviteit vrij. Ander onnodig materiaal dat moet worden bespaard is hoogradioactief afval, een vloeibaar residu van de opwerking van verbruikte splijtstof, waarin een deel van het uranium achterblijft. Op dit moment wordt het grootste deel van dit afval lokaal opgeslagen in kerncentrales in watervijvers, die een deel van de resterende warmte absorberen die door de verbruikte splijtstof wordt geproduceerd en werknemers helpen beschermen tegen blootstelling aan straling.

Een van de problemen met verbruikte splijtstof is dat deze door het splijtingsproces is veranderd. Wanneer grote uraniumatomen worden gesplitst, ontstaan ​​er bijproducten: radioactieve isotopen van verschillende lichte elementen zoals Cesium-137 en Strontium-90, ook wel genoemd. splijtingsproducten. Ze zijn heet en zeer radioactief, maar uiteindelijk vervallen ze in een periode van dertig jaar in minder gevaarlijke vormen. Deze periode is voor hen nodig Pperiodeohmhalveringstijd. Andere radioactieve elementen hebben verschillende halfwaardetijden. Bovendien vangen sommige uraniumatomen ook neutronen op, waardoor zwaardere elementen worden gevormd, zoals plutonium. Deze transuraniumelementen creëren niet zoveel warmte of doordringende straling als splijtingsproducten, maar het duurt veel langer voordat ze vervallen. Plutonium-239 heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van 24.000 jaar.

Deze radioactiefeafvalS hoog niveau van de reactoren zijn gevaarlijk voor mensen en andere levensvormen, omdat ze zelfs bij korte blootstelling enorme, dodelijke doses straling kunnen vrijgeven. Tien jaar nadat ze bijvoorbeeld de resterende brandstof uit een reactor hebben verwijderd, stoten ze per uur 200 keer meer radioactiviteit uit dan nodig is om iemand te doden. En als afval in grondwater of rivieren terechtkomt, kan het in de voedselketen terechtkomen en grote aantallen mensen in gevaar brengen.

Omdat afval zo gevaarlijk is, bevinden veel mensen zich in een lastige situatie. 60.000 ton afval bevindt zich in kerncentrales in de buurt van grote steden. Maar het vinden van een veilige plek om afval op te slaan is niet eenvoudig.

Wat kan er misgaan met een kernreactor?

Nu overheidstoezichthouders terugkijken op hun ervaringen, hebben ingenieurs door de jaren heen veel tijd besteed aan het ontwerpen van reactoren voor optimale veiligheid. Het is alleen zo dat ze niet kapot gaan, goed werken en back-upveiligheidsmaatregelen hebben als iets niet volgens plan verloopt. Als gevolg hiervan lijken kerncentrales jaar na jaar redelijk veilig te zijn vergeleken met bijvoorbeeld vliegreizen, waarbij wereldwijd regelmatig tussen de 500 en 1.100 mensen om het leven komen.

Kernreactoren lijden echter onder grote storingen. Op de International Nuclear Event Scale, die reactorongevallen beoordeelt van 1 tot 7, zijn er sinds 1957 vijf ongelukken geweest met een cijfer van 5 tot 7.

De ergste nachtmerrie is een storing in het koelsysteem, wat leidt tot oververhitting van de brandstof. De brandstof wordt vloeibaar en brandt vervolgens door de insluiting, waarbij radioactieve straling vrijkomt. In 1979 stond Unit 2 van de kerncentrale van Three Mile Island (VS) aan de vooravond van dit scenario. Gelukkig was een goed ontworpen insluitingssysteem sterk genoeg om te voorkomen dat de straling ontsnapte.

De Sovjet-Unie had minder geluk. In april 1986 vond een ernstig nucleair ongeval plaats bij de 4e energiecentrale van de kerncentrale van Tsjernobyl. Dit werd veroorzaakt door een combinatie van systeemstoringen, ontwerpfouten en slecht opgeleid personeel. Tijdens een routinetest werd de reactie plotseling heviger en blokkeerden de regelstaven, waardoor een noodstop werd voorkomen. De plotselinge opbouw van stoom veroorzaakte twee thermische explosies, waardoor de grafietmoderator van de reactor de lucht in werd geworpen. Bij gebrek aan iets om de splijtstofstaven van de reactor af te koelen, begonnen ze oververhit te raken en volledig in te storten, waardoor de brandstof een vloeibare vorm aannam. Veel stationarbeiders en vereffenaars van ongevallen kwamen om. Een grote hoeveelheid straling verspreidde zich over een gebied van 323.749 vierkante kilometer. Het aantal sterfgevallen als gevolg van straling is nog steeds onduidelijk, maar de Wereldgezondheidsorganisatie zegt dat dit mogelijk 9.000 sterfgevallen door kanker heeft veroorzaakt.

Fabrikanten van kernreactoren geven garanties op basis van probabilistische beoordelinge, waarin ze proberen de potentiële schade van een gebeurtenis in evenwicht te brengen met de waarschijnlijkheid waarmee deze daadwerkelijk plaatsvindt. Maar sommige critici zeggen dat ze zich in plaats daarvan moeten voorbereiden op zeldzame, onverwachte maar zeer gevaarlijke gebeurtenissen. Een voorbeeld hiervan is het ongeval in maart 2011 in de kerncentrale van Fukushima 1 in Japan. Het station was naar verluidt ontworpen om een ​​sterke aardbeving te weerstaan, maar niet één die zo catastrofaal was als de aardbeving met een kracht van 9,0 op de schaal van Richter die een tsunami-golf van 14 meter boven dijken stuurde die ontworpen waren om een ​​golf van 5,4 meter te weerstaan. De aanval van de tsunami vernietigde de reservedieselgeneratoren die bedoeld waren om het koelsysteem van de zes reactoren van de centrale van stroom te voorzien in het geval van een stroomstoring. Dus zelfs nadat de regelstaven van de Fukushima-reactoren de splijting hadden gestopt, liet de nog hete brandstof temperaturen toe gevaarlijk opstijgen in de vernietigde reactoren.

Japanse functionarissen namen hun toevlucht tot een laatste redmiddel: de reactoren overspoelden met een enorme hoeveelheid zeewater met toevoeging van boorzuur, dat een ramp kon voorkomen, maar de reactorapparatuur vernietigde. Uiteindelijk konden de Japanners met behulp van brandweerwagens en schepen zoet water in de reactoren pompen. Maar tegen die tijd had de monitoring al alarmerende niveaus van straling in het omringende land en water aangetoond. In een dorp op 40 km van de centrale werd het radioactieve element Cesium-137 aangetroffen op veel hogere niveaus dan na de ramp in Tsjernobyl, wat twijfels deed rijzen over de mogelijkheid van menselijke bewoning in het gebied.

Kernreactor.

Een kernreactor (atoomreactor) is een apparaat dat is ontworpen om een ​​gecontroleerde, zichzelf in stand houdende kettingreactie van atoomsplijting te organiseren, die gepaard gaat met het vrijkomen van een grote hoeveelheid energie.

Kernreactoren vormen het belangrijkste onderdeel van moderne kerncentrales.

De eerste kernreactoren.

De eerste kernreactor werd in december 1942 in de VS gebouwd en gelanceerd onder leiding van E. Fermi.

De eerste reactor die buiten de Verenigde Staten werd gebouwd was ZEEP, die op 5 september 1945 in Canada werd gelanceerd.

In Europa was de eerste kernreactor de F-1-installatie, die op 25 december 1946 in Moskou in bedrijf werd genomen onder leiding van I.V.

In 1978 waren er wereldwijd al ongeveer honderd kernreactoren van verschillende typen actief.

Geschiedenis van de oprichting van kernreactoren.

Wetenschappelijk werk in Duitsland.

De theoretische groep “Uranium Project” van nazi-Duitsland, werkzaam in de Kaiser Wilhelm Society, werd geleid door Weizsäcker, maar alleen formeel. De feitelijke leider was Heisenberg, die de theoretische grondslagen van de kettingreactie ontwikkelde, terwijl Weizsäcker en een groep deelnemers zich concentreerden op het creëren van een ‘uraniummachine’ – de eerste reactor.

In het late voorjaar van 1940 voerde een van de wetenschappers van de groep, Harteck, het eerste experiment uit waarin hij probeerde een kettingreactie te creëren met behulp van uraniumoxide en een vaste grafietmoderator. De beschikbare splijtstof was echter niet voldoende om dit doel te bereiken.

In 1941 bouwde een lid van de groep van Heisenberg, Doepel, aan de Universiteit van Leipzig een stand met een zwaarwatermoderator, in experimenten waarbij het tegen mei 1942 mogelijk was om de productie van neutronen te bereiken in hoeveelheden die hun absorptie te boven gingen.

Duitse wetenschappers slaagden er in februari 1945 in een volwaardige kettingreactie tot stand te brengen tijdens een experiment dat werd uitgevoerd in een mijn nabij Haigerloch. Een paar weken later hield het Duitse nucleaire programma echter op te bestaan.

Wetenschappelijk werk in de VS.

De kernsplijtingskettingreactie (kortweg kettingreactie) werd voor het eerst uitgevoerd door Amerikaanse wetenschappers in december 1942. Een groep natuurkundigen aan de Universiteit van Chicago, onder leiding van E. Fermi, creëerde 's werelds eerste kernreactor, de Chicago Pile-1 (CP-1) genaamd. Het bestond uit grafietblokken, waartussen zich ballen van natuurlijk uranium en zijn dioxide bevonden. Snelle neutronen die verschenen na de splijting van 235U-kernen werden door grafiet vertraagd tot thermische energieën en veroorzaakten vervolgens nieuwe kernsplijtingen. Reactoren zoals SR-1, waarin de meeste splijtingen plaatsvinden onder invloed van thermische neutronen, worden thermische neutronenreactoren genoemd. Ze bevatten veel moderator vergeleken met nucleaire brandstof.

Wetenschappelijk werk in de USSR.

In de USSR werden theoretische en experimentele studies naar de kenmerken van het opstarten, de werking en de controle van reactoren uitgevoerd door een groep natuurkundigen en ingenieurs onder leiding van academicus I.V.

De eerste Sovjetreactor F-1 werd gebouwd in laboratorium nr. 2 van de USSR Academy of Sciences (Moskou). Deze reactor werd op 25 december 1946 in kritieke toestand gebracht. De F-1 reactor was samengesteld uit grafietblokken en had de vorm van een bal met een diameter van ongeveer 7,5 meter. In het centrale deel van de bal met een diameter van 6 meter werden uraniumstaven door gaten in de grafietblokken geplaatst. De F-1-reactor had, net als de CP-1-reactor, geen koelsysteem en werkte dus op zeer lage vermogensniveaus (het gemiddelde vermogen bedroeg niet meer dan 20 W. Ter vergelijking: de eerste Amerikaanse CP-1-reactor overschreed zelden 1 W vermogen). De resultaten van onderzoek aan de F-1-reactor werden de basis voor projecten van complexere industriële reactoren. In 1948 werd de I-1-reactor (volgens andere bronnen A-1 genoemd) voor de productie van plutonium in gebruik genomen.

27 juni 1954 begon te werken 's werelds eerste kerncentrale met een elektrisch vermogen van 5 MW in de stad Obninsk.

Fysische principes van de werking van een kernreactor.

Diagram van een thermische neutronenkernreactor:

1 - Bedieningsstang.

2 - Stralingsbescherming.

3 - Thermische isolatie.

4 - Vertrager.

5 - Kernbrandstof.

6 - Koelvloeistof.

De huidige toestand van een kernreactor kan worden gekarakteriseerd door de effectieve nk of reactiviteit ρ, die verband houden met de volgende relatie:

De volgende opties voor de ontwikkeling van een kettingreactie van atoomsplijting zijn dus mogelijk:

1. ρ<0, Кэф

2. ρ>0, Kef>1 - de reactor is superkritisch, de reactie-intensiteit en het reactorvermogen nemen toe.

3. ρ=0, Kef=1 - de reactor is kritisch, de reactie-intensiteit en het reactorvermogen zijn constant.

Classificatie van kernreactoren.

Afhankelijk van hun doel en aard van gebruik zijn kernreactoren onderverdeeld in:

Energiereactoren die zijn ontworpen om elektrische en thermische energie te produceren die worden gebruikt in de energiesector, maar ook voor de ontzilting van zeewater (ontziltingsreactoren worden ook geclassificeerd als industrieel). Dergelijke reactoren worden vooral gebruikt in kerncentrales. Het thermische vermogen van moderne energiereactoren bereikt 5 GW.

Transportreactoren ontworpen om energie te leveren aan voertuigmotoren. De grootste groepen toepassingen zijn de zeetransportreactoren die worden gebruikt op onderzeeërs en diverse oppervlakteschepen, evenals reactoren die worden gebruikt in de ruimtetechnologie.

Experimentele reactoren ontworpen om verschillende fysieke grootheden te bestuderen waarvan de betekenis noodzakelijk is voor het ontwerp en de werking van kernreactoren. Het vermogen van dergelijke reactoren bedraagt ​​gewoonlijk niet meer dan enkele kW.

Onderzoeksreactoren, waarin in de kern gecreëerde neutronen- en gammastralen worden gebruikt voor onderzoek op het gebied van de kernfysica, de vaste-stoffysica, de stralingschemie en de biologie, voor het testen van materialen die bedoeld zijn om te werken in intense neutronenfluxen (inclusief onderdelen van kernreactoren ) voor de productie van isotopen. Het vermogen van onderzoeksreactoren bedraagt ​​doorgaans niet meer dan 100 MW. De vrijkomende energie wordt meestal niet gebruikt.

Industriële reactoren (wapens, isotopen) die worden gebruikt voor de productie van isotopen die op verschillende gebieden worden gebruikt. Het meest gebruikt voor de productie van kernwapenmaterialen, zoals 239Pu. Tot de industriële kernreactoren behoren ook reactoren die worden gebruikt voor de ontzilting van zeewater.

Kernreactoren worden vaak gebruikt om twee of meer verschillende problemen op te lossen, in welk geval ze multifunctioneel worden genoemd. Sommige kernreactoren waren bijvoorbeeld, vooral in de begindagen van kernenergie, in de eerste plaats ontworpen voor experimenten. Snelle neutronenreactoren kunnen tegelijkertijd energie produceren en isotopen produceren. Industriële reactoren genereren naast hun hoofdtaak vaak elektrische en thermische energie.

Kernreactor. Atoomreactor.