Як працює ядерний (атомний) реактор

Ядерний реактор працює злагоджено і чітко. Інакше, як відомо, буде біда. Але що там діється всередині? Спробуємо сформулювати принцип роботи ядерного (атомного) реактора коротко, чітко, з зупинками.

По суті, там твориться той же процес, що і при ядерному вибуху. Тільки ось вибух відбувається дуже швидко, а в реакторі все це розтягується на тривалий час. У підсумку все залишається цілим і неушкодженим, а ми отримуємо енергію. Не стільки, щоб все навколо відразу рознесло, але цілком достатню для того, щоб забезпечити електрикою місто.

Перш ніж зрозуміти, як йде керована ядерна реакція, потрібно дізнатися, що таке ядерна реакція взагалі.

Ядерна реакція – це процес перетворення (ділення) атомних ядер при взаємодії їх з елементарними частинками і гамма-квантами.

Ядерні реакції можуть проходити як з поглинанням, так і з виділенням енергії. У реакторі використовуються другі реакції.

Ядерний реактор – це пристрій, призначенням якого є підтримка контрольованої ядерної реакції з виділенням енергії.

Часто ядерний реактор називають ще і атомним. Відзначимо, що принципової різниці тут немає, але з точки зору науки правильніше використовувати слово “ядерний”. Зараз існує безліч типів ядерних реакторів. Це величезні промислові реактори, призначені для вироблення енергії на електростанціях, атомні реактори підводних човнів, малі експериментальні реактори, що використовуються в наукових експериментах. Існують навіть реактори, що застосовуються для опріснення морської води.

Історія створення атомного реактора

Перший ядерний реактор був запущений в не такому вже й далекому 1942 році. Сталося це в США під керівництвом Фермі. Цей реактор назвали “Чиказької стосом”.

У 1946 році запрацював перший радянський реактор, запущений під керівництвом Курчатова. Корпус цього реактора був куля семи метрів в діаметрі. Перші реактори не мали системи охолодження, і потужність їх була мінімальною. До слова, радянський реактор мав середню потужність 20 Ватт, а американський – всього 1 Ватт. Для порівняння: середня потужність сучасних енергетичних реакторів складає 5 гігават. Менш ніж через десять років після запуску першого реактора була відкрита перша в світі промислова атомна електростанція в місті Обнінську.

Принцип роботи ядерного (атомного) реактора

У будь-якого ядерного реактора є кілька частин: активна зона з паливом і сповільнювачем, відбивач нейтронів, теплоносій, система управління і захисту. В якості палива в реакторах найчастіше використовуються ізотопи урану (235, 238, 233), плутонію (239) і торію (232). Активна зона являє собою котел, через який протікає звичайна вода (теплоносій). Серед інших теплоносіїв рідше використовується «важка вода» і рідкий графіт. Якщо говорити про роботу АЕС, то ядерний реактор використовується для отримання тепла. Саме електрика виробляється тим же методом, що і на інших типах електростанцій – пара обертає турбіну, а енергія руху перетворюється в електричну енергію.

Як ми вже говорили, при розпаді важкого ядра урану утворюються легші елементи і кілька нейтронів. Утворилися нейтрони стикаються з іншими ядрами, також викликаючи їх розподіл. При цьому кількість нейтронів зростає лавиноподібно.

Тут потрібно згадати коефіцієнт розмноження нейтронів. Так, якщо цей коефіцієнт перевищує значення, рівне одиниці, відбувається ядерний вибух. Якщо значення менше одиниці, нейтронів занадто мало і реакція згасає. А ось якщо підтримувати значення коефіцієнта, що дорівнює одиниці, реакція буде протікати довго і стабільно.

Питання в тому, як це зробити? У реакторі паливо знаходиться в так званих тепловиділяючих елементах (ТВЕЛах). Це стрижні, в яких у вигляді невеликих таблеток знаходиться ядерне паливо. ТВЕЛи з’єднані в касети шестигранної форми, яких в реакторі можуть бути сотні. Касети з ТВЕЛами розташовуються вертикально, при цьому кожен ТВЕЛ має систему, що дозволяє регулювати глибину його занурення в активну зону. Крім самих касет серед них розташовуються керуючі стрижні і стрижні аварійного захисту. Стрижні виготовлені з матеріалу, добре поглинає нейтрони. Так, керуючі стрижні можуть бути опущені на різну глибину в активній зоні, тим самим регулюючи коефіцієнт розмноження нейтронів. Аварійні стрижні покликані заглушити реактор в разі надзвичайної ситуації.

Як запускають ядерний реактор?

З самим принципом роботи ми розібралися, але як запустити і змусити реактор функціонувати? Грубо кажучи, ось він – шматок урану, але ж ланцюгова реакція не починається в ньому сама по собі. Справа в тому, що в ядерній фізиці існує поняття критичної маси.

Ядерне топлівоЯдерное паливо
Критична маса – це необхідна для початку ланцюгової ядерної реакції маса речовини.

За допомогою ТВЕЛів і керуючих стрижнів в ректора спочатку створюється критична маса ядерного палива, а потім реактор в кілька етапів виводиться на оптимальний рівень потужності.

Посилання на основну публікацію