Как работает ядерный реактор или почему не нужно бояться атомной энергетики

Содержание

1. Принцип работы ядерного реактора
2. Естественное и управляемое деление урановых ядер
3. Составные части АЭС и современные реакторы
4. Как используют атомную энергию
5. Почему сегодня АЭС безопасны

Для многих стран производство электроэнергии на АЭС обходится не дороже, чем на угольных и газомазутных ТЭС. Особенно заметно преимущество АЭС в стоимости производимой электроэнергии в период энергетических кризисов. По количеству выработанной энергии 1 кг урана эквивалентен 100 т каменного угля или 60 т нефти. При этом АЭС относятся к наиболее безопасным и надежным установкам в мире.

Принцип работы ядерного реактора

Он является сердцем АЭС. Его работа связана с распадом урана-235, при котором выделяется большое количество энергии в виде тепла, нагревающая и превращающая воду в пар. Пар с высокой температурой и под большим давлением приводит во вращение турбинные лопасти. Они, в свою очередь, крутят генератор, вырабатывающий электрический ток.

Уран-235 – изотоп этого элемента. Так называют модификацию атома с другим атомным весом. У этого изотопа в отличие от обычного в ядре содержится на три нейтрона меньше.

Нейтронный дефицит вызывает нестабильность ядра при его бомбардировке быстрыми нейтронами. При этом происходит его расщепление на два примерно равных куска с образованием еще пары нейтронов, попадающих в соседние сгустки, и вызывающих их расщепление с вылетом других нейтронов, и т. д. Так происходит процесс цепной ядерной реакции, для осуществления которой и предназначен ядерный реактор.

Естественное и управляемое деление урановых ядер

Приоритет в открытии расщепления ядра урана при их бомбардировке нейтронами принадлежит О. Гану и Ф. Штрассману из Германии (1938 г.). Выбор нейтронов для экспериментов был неслучайным, а из-за их электрической нейтральности. Это исключает возникновение кулоновских отталкивающих сил, что позволяет нейтронам без труда проникать в ядра урана.

При попадании нейтрона в урановые ядра, они деформируются и вытягиваются. Далее для понимания процесса следует напомнить сведения из физики о коротко-действии ядерных сил и их резком ослаблении с увеличением расстояний. Электростатические же взаимодействия относятся к дальнедействующим. Для них большие расстояния – не помеха.

По этой причине ядерные взаимодействия не могут противодействовать электростатическим силам отталкивания при вытягивании ядра, что приводит к их разрыву на два осколка с излучением пары нейтронов. Разлет же частей, приблизительно равных в массовом отношении, происходит с большими скоростями.

Ядро урана-235 делятся со следующим результатом:

1. Получение ядер Ва и Krc образованием 3-х нейтронов:

2. Получение ядер Xeи Srс образованием 2-х нейтронов:

Естественная ядерная реакция по длительности определяется одной секундой, что приводит к ядерному взрыву. При управляемом процессе контролируется распад ядер урана.

Эта задача решается замедлителями, в которых происходит уменьшение кинетической энергии нейтронов при многочисленных столкновениях с атомами замедлителей в виде графитовых стержней. Также это может быть обычная (H₂O) или тяжелая (D₂O) вода.

Составные части АЭС и современные реакторы

АЭС относятся к сооружениям энергетики, предназначенными для производства электротока благодаря наличию ядерного реактора, предназначенного для поддержания управляемой реакции ядерного распада. Кроме реактора, в состав АЭС входит паровая турбина, электрогенератор для выработки электричества, трансформаторы и т. д.

На АЭС происходит троекратное преобразование энергии:

1. Вначале она трансформируется тепло. В реакторе происходит цепная реакция деления урана, сопровождаемая образованием тепла, которое нагревает специальный теплоноситель, передающий энергию тепла к парогенератору.
2. Парогенератор нужен для того, чтобы теплоноситель нагревал воду и преобразовывал ее в пар. Затем тепло превращается в механическую энергию.
3. В заключении механическая энергия преобразуется в электрический вид. Энергия пара вращает лопасти турбины для выработки электрического тока.

Теоретически ядерные реакторы могут быть выполнены по нескольким схемам, но чаще используются два вида – гомогенный (смесь ядерного топлива и замедлителя) и гетерогенный (разделение горючего и замедлителя).

Также возможен реактор, работающий на уране-238 вместо урана-235. Однако в них возникает проблема отвода выделяемого тепла. По этой причине их сегодня редко используют.

Наряду с ядерным реактором на атомной станции не обойтись без парогенератора и конденсатора. В парогенераторе давление воды составляет 60 кг/см ². С ее помощью удаляется тепло, образующееся в первом контуре. Причем контакта между двумя этими водными потоками нет. Отобранного тепла достаточно для образования пара.

Перегретый пар направляется к турбине и заставляет ее вращаться, которая в свою очередь вращает ротор генератора для выработки электричества. После турбины пар попадает внутрь парогенератора, являющийся вторым замкнутым контуром, но вода в нем не радиоактивная в противоположность первому контуру.

По конструкции между конденсатором и парогенератором много общего за исключением одного принципиального различия: во втором контуре охлаждение пара из парогенератора происходит внешней водой, которая забирается из охладительного пруда, который обычно располагается по соседству с АЭС.

Если прудовой воды недостаточно, то не обойтись без огромных сооружений – градирен, которые представляют собой не трубы, а охладительные башни. Горячая вода, прошедшая конденсатор, подается на градирню, в которой часть воды улетучивается. Испаряясь и конденсируясь на стенах градирни, вода теряет температуру и вновь подается внутрь конденсатора.

Большая часть АЭС являются двухконтурными, но они бывают одноконтурными (пример – реактор РБМК) и трехконтурными (реактор с использованием быстрых нейтронов). С учетом конструктивных различий, активная зона в них охлаждается несколько иначе, но общая схема остается прежней.

Как используют атомную энергию

Сила атома проявляется, помимо стационарных атомных реакторов, в ядерных силовых установках больших кораблей и подводных лодок, используется в космосе и т. д.

Как известно начало 21 столетия ознаменовалось взлетом цен на нефть. Это подтолкнуло ученых и инженеров искать новые пути использования атома. В результате были разработаны компактные атомные электростанции, работающие десятки лет без вмешательства человека и отличающиеся высокой безопасностью.

Ядерные методы все шире используются в диагностических и лечебных целях против рака. Достоверно доказано, что с помощью радиоактивных изотопов можно бороться с раковыми клетками.

Почему сегодня АЭС безопасны

При эксплуатации действующих и строительстве новых атомных блоков на первом плане всегда стоят вопросы их безопасной работы. Регулярно и системно ведется реестр аварийных ситуаций на АЭС для их учета при проектировании и расчетах.

Так, теперь над реакторными установками обязательно возводятся массивные герметичные оболочки – контейнменты, не дающие в аварийных ситуациях радиоактивным веществам выйти наружу.

Прочность таких конструкций такова, что они выдерживают удар 20-ти тонного самолета, силу урагана при ветре до 60 м/сек и воздействие взрывной ударной волны с давлением 30 кПа.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.