Միաձուլման ռեակցիաները տեղի են ունենում էլեկտրակայանների միջուկային ռեակտորներում: Ատոմակայան. ինչպես է այն աշխատում

Այս աննկարագրելի մոխրագույն մխոցը ռուսական միջուկային արդյունաբերության հիմնական օղակն է: Այն, իհարկե, այնքան էլ ներկայանալի չի թվում, բայց երբ հասկանում ես դրա նպատակը և նայում տեխնիկական բնութագրերին, սկսում ես հասկանալ, թե ինչու է դրա ստեղծման և դիզայնի գաղտնիքը պետության կողմից պաշտպանված աչքի լույսի պես:

Այո, մոռացել էի ներկայացնել. ահա գազի ցենտրիֆուգ՝ ուրանի VT-3F իզոտոպների առանձնացման համար (n-րդ սերունդ): Գործողության սկզբունքը տարրական է, ինչպես կաթի բաժանիչի սկզբունքը, կենտրոնախույս ուժի ազդեցությամբ ծանրը բաժանվում է լույսից. Այսպիսով, ո՞րն է նշանակությունն ու յուրահատկությունը:

Նախ՝ պատասխանենք մեկ այլ հարցի՝ ընդհանրապես, ինչո՞ւ առանձնացնել ուրան։

Բնական ուրան, որը գտնվում է հենց գետնի մեջ, երկու իզոտոպների կոկտեյլ է. ուրան-238Եվ ուրան-235(և 0,0054% U-234):
Ուրան-238, ուղղակի ծանր է, մոխրագույնմետաղական. Դրանով կարելի է պատրաստել հրետանային արկ, կամ... առանցքային շղթա։ Ահա թե ինչից կարող եք անել ուրան-235? Դե, նախ՝ ատոմային ռումբ, երկրորդը՝ ատոմակայանների վառելիք։ Եվ այստեղ մենք հասնում ենք առանցքային խնդիր- Ինչպե՞ս առանձնացնել այս երկու, գրեթե նույնական ատոմները, միմյանցից: Ոչ, իսկապես ԻՆՉՊԵՍ?!

Ի դեպ.Ուրանի ատոմի միջուկի շառավիղը 1,5 10 -8 սմ է։

Որպեսզի ուրանի ատոմները տեղափոխվեն տեխնոլոգիական շղթա, այն (ուրանը) պետք է վերածվի գազային վիճակի։ Եռալու իմաստ չկա, բավական է ուրանը միացնել ֆտորին և ստանալ ուրանի հեքսաֆտորիդ HFC. Դրա արտադրության տեխնոլոգիան այնքան էլ բարդ և թանկ չէ, և հետևաբար HFCնրանք ստանում են այն հենց այնտեղ, որտեղ արդյունահանվում է այս ուրանը: UF6-ը ուրանի միակ բարձր ցնդող միացությունն է (երբ տաքացվում է մինչև 53°C, հեքսաֆտորիդը (նկարում) ուղղակիորեն փոխակերպվում է պինդ վիճակից գազային վիճակի): Այնուհետև այն մղվում է հատուկ տարաների մեջ և ուղարկվում հարստացման։

Մի փոքր պատմություն

Միջուկային մրցավազքի հենց սկզբում և՛ ԽՍՀՄ-ի, և՛ ԱՄՆ-ի մեծագույն գիտական միտքը յուրացրել է դիֆուզիոն տարանջատման գաղափարը՝ ուրանը մաղով անցկացնելը: Փոքրիկ 235-րդիզոտոպը կսայթաքի միջով, իսկ «ճարպը» 238-րդկխրվի. Ավելին, 1946 թվականին խորհրդային արդյունաբերության համար նանոանցքերով մաղ պատրաստելը ամենադժվար գործը չէր։

Իսահակ Կոնստանտինովիչ Կիկոինի զեկույցից Խորհրդին կից գիտատեխնիկական խորհրդում Ժողովրդական կոմիսարներ(տրված է ԽՍՀՄ ատոմային նախագծի վերաբերյալ գաղտնազերծված նյութերի ժողովածուում (Խմբ. Ռյաբև)). Ներկայումս մենք սովորել ենք ցանցեր պատրաստել մոտ 5/1000 մմ անցքերով, այսինքն. 50 անգամ ավելի մեծ է, քան մթնոլորտային ճնշման մոլեկուլների ազատ ուղին: Հետևաբար, գազի ճնշումը, որի դեպքում տեղի կունենա իզոտոպների տարանջատումը նման ցանցերում, պետք է լինի մթնոլորտային ճնշման 1/50-ից պակաս: Գործնականում մենք ենթադրում ենք աշխատել մոտ 0,01 մթնոլորտ ճնշման տակ, այսինքն. լավ վակուումային պայմաններում: Հաշվարկները ցույց են տալիս, որ լույսի իզոտոպով 90% կոնցենտրացիայով հարստացված արտադրանք ստանալու համար (այս կոնցենտրացիան բավարար է պայթուցիկ արտադրելու համար), անհրաժեշտ է կասկադում միավորել մոտ 2000 նման փուլ։ Մեքենայում, որը մենք նախագծում և մասամբ արտադրում ենք, ակնկալվում է օրական 75-100 գ ուրան-235 արտադրել: Տեղադրումը բաղկացած է լինելու մոտավորապես 80-100 «սյուներից», որոնցից յուրաքանչյուրում տեղադրվելու է 20-25 փուլ»։

Ստորև ներկայացնում ենք փաստաթուղթ՝ Բերիայի զեկույցը Ստալինին առաջին ատոմային ռումբի պայթյունի նախապատրաստման վերաբերյալ: Ստորև բերված է կարճ տեղեկատվություն միջուկային նյութերի մասին, որոնք արտադրվել են մինչև 1949 թվականի ամառվա սկիզբը։

Եվ հիմա ինքներդ պատկերացրեք՝ 2000 ծանր տեղադրում, հանուն ընդամենը 100 գրամի: Դե ինչ անենք, մեզ ռումբեր են պետք։ Եվ նրանք սկսեցին գործարաններ կառուցել, և ոչ միայն գործարաններ, այլ ամբողջ քաղաքներ։ Եվ լավ, միայն քաղաքները, այս դիֆուզիոն կայաններն այնքան էլեկտրաէներգիա էին պահանջում, որ ստիպված էին մոտակայքում առանձին էլեկտրակայաններ կառուցել:

ԽՍՀՄ-ում No 813 կայանի D-1 առաջին փուլը նախատեսված էր օրական 140 գրամ 92-93% ուրան-235 ընդհանուր արդյունահանման համար՝ հզորությամբ նույնական 3100 տարանջատման փուլերի 2 կասկադներում։ Արտադրության համար հատկացվել է Սվերդլովսկից 60 կմ հեռավորության վրա գտնվող Վերխ-Նեյվինսկ գյուղի անավարտ ավիացիոն գործարան։ Հետագայում այն վերածվեց Սվերդլովսկ-44-ի, իսկ 813-ը (լուսանկարում) վերածվեց Ուրալի էլեկտրաքիմիական գործարանի՝ աշխարհի ամենամեծ տարանջատման գործարանի:

Եվ չնայած դիֆուզիոն տարանջատման տեխնոլոգիան, թեև տեխնոլոգիական մեծ դժվարություններով, կարգազերծվեց, ավելի խնայող ցենտրիֆուգային գործընթացի մշակման գաղափարը չլքեց օրակարգը: Ի վերջո, եթե մեզ հաջողվի ստեղծել ցենտրիֆուգ, ապա էներգիայի սպառումը կկրճատվի 20-ից 50 անգամ:

Ինչպե՞ս է աշխատում ցենտրիֆուգը:

Նրա կառուցվածքն ավելի քան տարրական է և նման է հին լվացքի մեքենայի, որն աշխատում է «պտտվող/չոր» ռեժիմով։ Պտտվող ռոտորը գտնվում է կնքված պատյանում: Գազը մատակարարվում է այս ռոտորին (UF6). Կենտրոնախույս ուժի շնորհիվ, որը հարյուր հազարավոր անգամ ավելի մեծ է Երկրի գրավիտացիոն դաշտից, գազը սկսում է բաժանվել «ծանր» և «թեթև» ֆրակցիաների։ Թեթև և ծանր մոլեկուլները սկսում են խմբավորվել տարբեր գոտիներռոտոր, բայց ոչ կենտրոնում և պարագծի շուրջ, այլ վերևում և ներքևում:

Դա տեղի է ունենում կոնվեկցիոն հոսանքների պատճառով - ռոտորի կափարիչը տաքացվում է և գազի հակահոսք է տեղի ունենում: Գլանի վերևում և ներքևում տեղադրված են երկու փոքր ընդունման խողովակներ: Նիհար խառնուրդը մտնում է ստորին խողովակը, իսկ խառնուրդը հետ ավելի բարձր կոնցենտրացիանատոմներ 235U. Այս խառնուրդն անցնում է հաջորդ ցենտրիֆուգի մեջ և այդպես շարունակ մինչև կոնցենտրացիան 235-րդուրան չի հասնի ցանկալի արժեք. Ցենտրիֆուգների շղթան կոչվում է կասկադ:

Տեխնիկական առանձնահատկություններ.

Դե, նախ, պտտման արագությունը. ժամանակակից սերնդի ցենտրիֆուգներում այն հասնում է 2000 ռ/րոպի (ես նույնիսկ չգիտեմ, թե ինչի հետ համեմատեմ… 10 անգամ ավելի արագ, քան ինքնաթիռի շարժիչի տուրբինը): Եվ այն աշխատում է անդադար Երեք Տասնամյակ: Նրանք. Հիմա Բրեժնևի օրոք միացված ցենտրիֆուգները կասկադներով են պտտվում։ ԽՍՀՄ-ն արդեն չկա, բայց շարունակում են պտտվել ու պտտվել։ Դժվար չէ հաշվարկել, որ իր աշխատանքային ցիկլի ընթացքում ռոտորը կատարում է 2,000,000,000,000 (երկու տրիլիոն) պտույտ։ Իսկ ի՞նչ կրող կդիմանա սրան։ Այո, ոչ մեկը: Այնտեղ առանցքակալներ չկան։

Ռոտորն ինքնին սովորական վերնաշապիկ է, ներքևում այն ունի ամուր ասեղ, որը հենվում է կորունդի առանցքակալի վրա, իսկ վերին ծայրը կախված է վակուումում, պահվում է: էլեկտրամագնիսական դաշտ. Ասեղը նույնպես պարզ չէ, դաշնամուրի լարերի համար սովորական մետաղալարից է պատրաստված, այն կոփվում է շատ խորամանկ ձևով (ինչպես GT): Դժվար չէ պատկերացնել, որ պտտման նման կատաղի արագությամբ ցենտրիֆուգն ինքնին պետք է լինի ոչ միայն դիմացկուն, այլև չափազանց դիմացկուն։

Ակադեմիկոս Ջոզեֆ Ֆրիդլանդերը հիշում է. «Ինձ կարող էին երեք անգամ կրակել։ Մի անգամ, երբ արդեն ստացել էինք Լենինյան մրցանակը, մեծ վթար եղավ, ցենտրիֆուգի կափարիչը թռավ։ Կտորները ցրվել և ոչնչացրել են այլ ցենտրիֆուգներ։ Բարձրացավ ռադիոակտիվ ամպ: Մենք ստիպված էինք կանգնեցնել ամբողջ գիծը՝ մեկ կիլոմետր տեղադրում: Սրեդմաշում գեներալ Զվերևը ղեկավարում էր ցենտրիֆուգները մինչև ատոմային նախագիծը, նա աշխատում էր Բերիայի բաժանմունքում. Գեներալը հանդիպման ժամանակ ասաց. «Իրավիճակը կրիտիկական է։ Երկրի պաշտպանությունը վտանգի տակ է. Եթե մենք արագ չշտկենք իրավիճակը, 37-ը կկրկնվի ձեզ համար»: Եվ անմիջապես փակեց հանդիպումը։ Հետո մենք ամբողջությամբ եկանք նոր տեխնոլոգիաամբողջովին իզոտրոպ միատեսակ ծածկույթով, սակայն պահանջվում էին շատ բարդ տեղակայանքներ։ Այդ ժամանակից ի վեր արտադրվել են այս տեսակի կափարիչներ: Այլևս անախորժություններ չկային։ Ռուսաստանում կա 3 հարստացման գործարան, հարյուր հազարավոր ցենտրիֆուգներ»։
Լուսանկարում՝ առաջին սերնդի ցենտրիֆուգների փորձարկումները

Ռոտորի պատյանները նույնպես սկզբում մետաղից էին, մինչև դրանք փոխարինվեցին... ածխածնային մանրաթելով։ Թեթև և բարձր առաձգական, այն իդեալական նյութ է պտտվող գլանների համար:

UEIP-ի գլխավոր տնօրեն (2009-2012) Ալեքսանդր Կուրկինը հիշում է. «Դա դառնում էր ծիծաղելի: Երբ նրանք փորձարկեցին և ստուգեցին ցենտրիֆուգների նոր, ավելի «հնարամիտ» սերունդը, աշխատակիցներից մեկը չսպասեց, որ ռոտորն ամբողջությամբ կանգ առնի, անջատեց այն կասկադից և որոշեց ձեռքով տեղափոխել կանգառ: Բայց առաջ գնալու փոխարեն, ինչքան էլ դիմադրեր, նա գրկեց այս գլանն ու սկսեց հետ շարժվել։ Այսպիսով, մենք մեր աչքերով տեսանք, որ երկիրը պտտվում է, իսկ գիրոսկոպը մեծ ուժ է»:

Ո՞վ է այն հորինել:

Օ՜, դա առեղծված է, պարուրված առեղծվածով և պարուրված անորոշության մեջ: Այստեղ դուք կգտնեք գերի ընկած գերմանացի ֆիզիկոսներին, ԿՀՎ-ին, SMERSH-ի սպաներին և նույնիսկ կործանված լրտես օդաչու Փաուերսին: Ընդհանուր առմամբ, գազի ցենտրիֆուգի սկզբունքը նկարագրվել է 19-րդ դարի վերջին։

Նույնիսկ Ատոմային նախագծի լուսաբացին Կիրովի գործարանի Հատուկ նախագծային բյուրոյի ինժեներ Վիկտոր Սերգեևն առաջարկեց ցենտրիֆուգների բաժանման մեթոդ, բայց սկզբում նրա գործընկերները հավանություն չտվեցին նրա գաղափարին: Միևնույն ժամանակ, պարտված Գերմանիայի գիտնականները Սուխումիի հատուկ գիտահետազոտական ինստիտուտ-5-ում աշխատել են տարանջատման ցենտրիֆուգի ստեղծման վրա. դոկտոր Մաքս Սթենբեկը, ով աշխատել է որպես Siemens-ի առաջատար ինժեներ Հիտլերի օրոք, և նախկին Luftwaffe-ի մեխանիկ, շրջանավարտ: Վիեննայի համալսարան, Gernot Zippe. Ընդհանուր առմամբ խմբում ընդգրկված էին մոտ 300 «արտահանված» ֆիզիկոսներ։

Հիշում է գլխավոր մենեջեր CJSC Centrotech-SPb պետական կորպորացիա Ռոսատոմ Ալեքսեյ Կալիտեևսկի. «Մեր փորձագետները եկել են այն եզրակացության, որ գերմանական ցենտրիֆուգը բացարձակապես ոչ պիտանի է արդյունաբերական արտադրության համար։ Սթինբեքի ապարատը մասամբ հարստացված արտադրանքը հաջորդ փուլ տեղափոխելու համակարգ չուներ։ Առաջարկվում էր կափարիչի ծայրերը սառեցնել և գազը սառեցնել, ապա հալեցնել այն, հավաքել և դնել հաջորդ ցենտրիֆուգի մեջ: Այսինքն՝ սխեման անգործունակ է։ Այնուամենայնիվ, նախագիծն ուներ մի քանի շատ հետաքրքիր և անսովոր տեխնիկական լուծումներ։ Այս «հետաքրքիր և անսովոր լուծումները» համակցվել են խորհրդային գիտնականների ստացած արդյունքների հետ, մասնավորապես՝ Վիկտոր Սերգեևի առաջարկների հետ։ Համեմատաբար ասած՝ մեր կոմպակտ ցենտրիֆուգը մեկ երրորդը գերմանական մտքի պտուղն է, իսկ երկու երրորդը՝ խորհրդային»։Ի դեպ, երբ Սերգեևը եկավ Աբխազիա և նույն Սթինբեքին ու Զիպին հայտնեց ուրանի ընտրության մասին իր մտքերը, Սթինբեկն ու Զիպեն դրանք անիրականանալի համարեցին։

Այսպիսով, ինչ է մտածել Սերգեևը:

Իսկ Սերգեևի առաջարկն էր ստեղծել գազի սելեկտորներ պիտոտ խողովակների տեսքով: Բայց դոկտոր Սթինբեկը, ով, ինչպես ինքն էր կարծում, իր ատամներն էր կերել այս թեմայով, կտրականապես ասաց. Տարիներ անց, երբ աշխատում էր իր հուշերի վրա, նա կզղջա դրա համար. արժանի դրանգալ մեզանից! Բայց մտքովս չի անցել...»:

Հետագայում, երբ դուրս էր եկել ԽՍՀՄ-ից, Սթինբեկն այլևս չէր աշխատում ցենտրիֆուգների հետ։ Բայց մինչ Գերմանիա մեկնելը, Գերոնտ Զիպեն հնարավորություն ունեցավ ծանոթանալու Սերգեևի ցենտրիֆուգի նախատիպին և դրա գործարկման փայլուն պարզ սկզբունքին։ Մի անգամ Արևմուտքում «խորամանկ Զիպը», ինչպես նրան հաճախ էին անվանում, արտոնագրեց ցենտրիֆուգի դիզայնը իր անունով (արտոնագիր No 1071597 1957 թ., հայտարարված 13 երկրներում): 1957-ին, տեղափոխվելով ԱՄՆ, Զիպպեն այնտեղ կառուցեց աշխատանքային ինստալացիա՝ վերարտադրելով Սերգեևի նախատիպը հիշողությունից։ Եվ նա անվանեց այն, եկեք հարգենք, «ռուսական ցենտրիֆուգ» (լուսանկարում):

Ի դեպ, ռուսական ճարտարագիտությունը իրեն դրսևորել է շատ այլ դեպքերում։ Օրինակ է պարզ վթարային փակման փականը: Չկան սենսորներ, դետեկտորներ կամ էլեկտրոնային սխեմաներ: Կա միայն սամովարի ծորակ, որն իր ծաղկաթերթով դիպչում է կասկադի շրջանակին։ Եթե ինչ-որ բան սխալ է ընթանում, և ցենտրիֆուգը փոխում է իր դիրքը տարածության մեջ, այն պարզապես պտտվում և փակում է մուտքի գիծը: Դա նման է տիեզերքում ամերիկյան գրչի և ռուսական մատիտի մասին կատակի:

Մեր օրերը

Այս շաբաթ այս տողերի հեղինակը ներկա էր մի նշանակալից իրադարձության՝ պայմանագրով ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության դիտորդների ռուսական գրասենյակի փակմանը։ HEU-LEU. Այս գործարքը (բարձր հարստացված ուրան - ցածր հարստացված ուրան) եղել և մնում է Ռուսաստանի և Ամերիկայի միջև միջուկային էներգիայի ոլորտում ամենամեծ համաձայնագիրը։ Պայմանագրի պայմանների համաձայն՝ ռուս միջուկային գիտնականները վերամշակել են 500 տոննա մեր սպառազինության մակարդակի (90%) ուրան՝ վերածելով վառելիքի (4%) HFC ամերիկյան ատոմակայանների համար: 1993-2009 թվականների եկամուտները կազմել են 8,8 մլրդ ԱՄՆ դոլար։ Սա հետպատերազմյան տարիներին իզոտոպների տարանջատման ոլորտում մեր միջուկային գիտնականների տեխնոլոգիական բեկման տրամաբանական արդյունքն էր։
Լուսանկարում՝ գազի ցենտրիֆուգների կասկադներ UEIP-ի արտադրամասերից մեկում: Նրանց թիվը այստեղ մոտ 100 հազար է։

Ցենտրիֆուգների շնորհիվ մենք ձեռք ենք բերել հազարավոր տոննա համեմատաբար էժան՝ թե՛ ռազմական, թե՛ կոմերցիոն արտադրանք։ Միջուկային արդյունաբերությունը մնացած սակավաթիվներից մեկն է (ռազմական ավիացիա, տիեզերք), որտեղ Ռուսաստանը անվիճելի գերակայություն ունի: Միայն արտասահմանյան պատվերներ տասը տարի առաջ (2013-ից մինչև 2022 թվականը), Ռոսատոմի պորտֆելը առանց պայմանագրի HEU-LEUկազմում է 69,3 մլրդ դոլար։ 2011 թվականին այն գերազանցել է 50 մլրդ...
Լուսանկարում պատկերված է UEIP-ում HFC-ներով տարաների պահեստ:

1942 թվականի սեպտեմբերի 28-ին ընդունվեց Պաշտպանության պետական կոմիտեի թիվ 2352սս «Ուրանի վրա աշխատանքների կազմակերպման մասին» որոշումը։ Այս ամսաթիվը համարվում է ռուսական միջուկային արդյունաբերության պատմության պաշտոնական սկիզբը։

Դիզայնը և շահագործման սկզբունքը

Էներգիայի ազատման մեխանիզմ

Նյութի փոխակերպումն ուղեկցվում է ազատ էներգիայի արտազատմամբ միայն այն դեպքում, եթե նյութն ունի էներգիայի պաշար։ Վերջինս նշանակում է, որ նյութի միկրոմասնիկները գտնվում են հանգստի էներգիայով ավելի մեծ վիճակում, քան մեկ այլ հնարավոր վիճակում, որին անցում կա: Ինքնաբուխ անցումը միշտ կանխում է էներգետիկ արգելքը, որը հաղթահարելու համար միկրոմասնիկը պետք է ստանա որոշակի քանակությամբ էներգիա դրսից՝ գրգռման էներգիա։ Էկզոէներգետիկ ռեակցիան բաղկացած է նրանից, որ գրգռմանը հաջորդող վերափոխման ժամանակ ավելի շատ էներգիա է արձակվում, քան պահանջվում է գործընթացը գրգռելու համար: Էներգետիկ արգելքը հաղթահարելու երկու եղանակ կա՝ կա՛մ բախվող մասնիկների կինետիկ էներգիայի, կա՛մ միացող մասնիկի կապող էներգիայի շնորհիվ:

Մասնիկների միացման միջոցով գրգռումը չի պահանջում մեծ կինետիկ էներգիա և, հետևաբար, կախված չէ միջավայրի ջերմաստիճանից, քանի որ այն տեղի է ունենում մասնիկների գրավիչ ուժերին բնորոշ չօգտագործված կապերի պատճառով: Բայց ռեակցիաները գրգռելու համար անհրաժեշտ են հենց մասնիկները: Եվ եթե մենք կրկին նկատի ունենք ոչ թե ռեակցիայի առանձին ակտ, այլ մակրոսկոպիկ մասշտաբով էներգիայի արտադրություն, ապա դա հնարավոր է միայն այն դեպքում, երբ տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա։ Վերջինս տեղի է ունենում, երբ ռեակցիան գրգռող մասնիկները նորից հայտնվում են որպես էկզոէներգետիկ ռեակցիայի արտադրանք։

Դիզայն

Ցանկացած միջուկային ռեակտոր բաղկացած է հետևյալ մասերից.

Միջուկային վառելիքով և մոդերատորով միջուկ;
Միջուկը շրջապատող նեյտրոնային ռեֆլեկտոր;
Շղթայական ռեակցիայի կառավարման համակարգ, ներառյալ արտակարգ իրավիճակների պաշտպանությունը;
Ճառագայթային պաշտպանություն;
Հեռակառավարման համակարգ.

Գործողության ֆիզիկական սկզբունքները

Տես նաև հիմնական հոդվածները.

Միջուկային ռեակտորի ներկայիս վիճակը կարելի է բնութագրել արդյունավետ նեյտրոնների բազմապատկման գործակցով կկամ ռեակտիվություն ρ , որոնք կապված են հետևյալ առնչությամբ.

Այս քանակությունների համար բնորոշ են հետևյալ արժեքները.

կ> 1 - շղթայական ռեակցիան ավելանում է ժամանակի ընթացքում, ռեակտորը գտնվում է գերքննադատականվիճակը, նրա ռեակտիվությունը ρ > 0;
կ < 1 - реакция затухает, реактор - ենթաքննադատական, ρ < 0;
կ = 1, ρ = 0 - միջուկային տրոհումների թիվը հաստատուն է, ռեակտորը գտնվում է ախոռում քննադատականվիճակ.

Միջուկային ռեակտորի համար կրիտիկական պայման.

, Որտեղ

Բազմապատկման գործակիցը միասնության վերածելը ձեռք է բերվում նեյտրոնների բազմապատկումը դրանց կորուստների հետ հավասարակշռելով: Կորուստների երկու պատճառ կա՝ գրավում առանց տրոհման և նեյտրոնների արտահոսք բուծման միջավայրից դուրս:

Ակնհայտ է, որ Կ< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

Ջերմային ռեակտորների համար k 0-ը կարող է որոշվել այսպես կոչված «4 գործոնի բանաձևով».

, Որտեղ

η-ն նեյտրոնի ելքն է երկու կլանումների համար:

Ժամանակակից ծավալները ուժային ռեակտորներկարող է հասնել հարյուրավոր մ³-ի և որոշվում է հիմնականում ոչ թե կրիտիկական պայմաններով, այլ ջերմության հեռացման հնարավորություններով:

Կրիտիկական ծավալմիջուկային ռեակտոր - ռեակտորի միջուկի ծավալը կրիտիկական վիճակում: Կրիտիկական զանգված- ռեակտորի տրոհվող նյութի զանգվածը, որը գտնվում է կրիտիկական վիճակում.

Ջրային նեյտրոնային ռեֆլեկտորով մաքուր տրոհվող իզոտոպների աղերի ջրային լուծույթները, որոնց վառելիքը վառելիքն է, ունեն ամենացածր կրիտիկական զանգվածը: 235 U-ի համար այս զանգվածը 0,8 կգ է, 239 Pu-ի համար՝ 0,5 կգ։ Այնուամենայնիվ, լայնորեն հայտնի է, որ LOPO ռեակտորի (աշխարհի առաջին հարստացված ուրանի ռեակտորի) կրիտիկական զանգվածը, որն ուներ բերիլիումի օքսիդի ռեֆլեկտոր, կազմում էր 0,565 կգ, չնայած այն հանգամանքին, որ 235 իզոտոպի հարստացման աստիճանը միայն մի փոքր ավելի էր։ քան 14%: Տեսականորեն այն ունի ամենափոքր կրիտիկական զանգվածը, որի համար այս արժեքը կազմում է ընդամենը 10 գ։

Նեյտրոնների արտահոսքը նվազեցնելու համար ակտիվ գոտուն տրվում է գնդաձև կամ մոտ գնդաձև ձև, օրինակ՝ կարճ գլան կամ խորանարդ, քանի որ այս թվերն ունեն. ամենացածր հարաբերակցությունըմակերեսի մակերեսը ծավալին:

Չնայած այն հանգամանքին, որ արժեքը (e - 1) սովորաբար փոքր է, արագ նեյտրոնների բուծման դերը բավականին մեծ է, քանի որ խոշոր միջուկային ռեակտորների համար (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Շղթայական ռեակցիա սկսելու համար ուրանի միջուկների ինքնաբուխ տրոհման ժամանակ առաջացած նեյտրոնները սովորաբար բավարար են։ Հնարավոր է նաև օգտագործել նեյտրոնների արտաքին աղբյուր ռեակտորը գործարկելու համար, օրինակ՝ և կամ այլ նյութերի խառնուրդ:

Յոդի փոս

Հիմնական հոդված՝ Յոդի փոս

Յոդի փոս - միջուկային ռեակտորի վիճակ այն անջատվելուց հետո, որը բնութագրվում է կարճատև իզոտոպի քսենոնի կուտակմամբ։ Այս գործընթացը հանգեցնում է զգալի բացասական ռեակտիվության ժամանակավոր ի հայտ գալուն, ինչը, իր հերթին, անհնար է դարձնում ռեակտորը որոշակի ժամկետում (մոտ 1-2 օր) հասցնել իր նախագծային հզորությանը:

Դասակարգում

Ըստ նպատակի

Օգտագործման բնույթով միջուկային ռեակտորներբաժանվում են.

Էլեկտրաէներգիայի ռեակտորներ, որը նախատեսված է էներգետիկայի ոլորտում օգտագործվող էլեկտրական և ջերմային էներգիայի արտադրության, ինչպես նաև ծովի ջրի աղազերծման համար (աղազերծող ռեակտորները դասակարգվում են նաև որպես արդյունաբերական)։ Նման ռեակտորները հիմնականում օգտագործվում են ատոմակայաններում։ Ժամանակակից ուժային ռեակտորների ջերմային հզորությունը հասնում է 5 ԳՎտ-ի։ Առանձին խումբը ներառում է.
- Տրանսպորտային ռեակտորներ, որը նախատեսված է տրանսպորտային միջոցների շարժիչներին էներգիա մատակարարելու համար: Կիրառումների ամենալայն խմբերն են ծովային տրանսպորտային ռեակտորները, որոնք օգտագործվում են սուզանավերի և տարբեր վերգետնյա նավերի վրա, ինչպես նաև տիեզերական տեխնոլոգիաներում օգտագործվող ռեակտորները:
Փորձարարական ռեակտորներ, որը նախատեսված է տարբեր ֆիզիկական մեծությունների ուսումնասիրության համար, որոնց արժեքը անհրաժեշտ է միջուկային ռեակտորների նախագծման և շահագործման համար. Նման ռեակտորների հզորությունը չի գերազանցում մի քանի կՎտ:
Հետազոտական ռեակտորներ, որոնցում միջուկում ստեղծված նեյտրոնների և գամմա քվանտների հոսքերը օգտագործվում են միջուկային ֆիզիկայի, պինդ վիճակի ֆիզիկայի, ճառագայթային քիմիայի, կենսաբանության բնագավառում հետազոտությունների համար, ինտենսիվ նեյտրոնային հոսքերում (ներառյալ միջուկային ռեակտորների մասերը) գործելու համար նախատեսված նյութերը փորձարկելու համար։ իզոտոպների արտադրություն։ Հետազոտական ռեակտորների հզորությունը չի գերազանցում 100 ՄՎտ-ը։ Ազատված էներգիան սովորաբար չի օգտագործվում։
Արդյունաբերական (զենքի, իզոտոպային) ռեակտորներ, օգտագործվում է տարբեր ոլորտներում օգտագործվող իզոտոպներ արտադրելու համար։ Առավել լայնորեն օգտագործվում է միջուկային զենքի նյութերի արտադրության համար, ինչպիսիք են 239 Pu. Արդյունաբերական են նաև ռեակտորները, որոնք օգտագործվում են ծովի ջրի աղազերծման համար:

Ռեակտորները հաճախ օգտագործվում են երկու կամ ավելի տարբեր խնդիրներ լուծելու համար, որոնց դեպքում դրանք կոչվում են բազմաֆունկցիոնալ. Օրինակ, որոշ ուժային ռեակտորներ, հատկապես միջուկային էներգիայի սկզբնական շրջանում, նախագծված էին հիմնականում փորձերի համար: Արագ նեյտրոնային ռեակտորները կարող են միաժամանակ էներգիա արտադրել և իզոտոպներ արտադրել։ Արդյունաբերական ռեակտորները, բացի իրենց հիմնական խնդիրից, հաճախ արտադրում են էլեկտրական և ջերմային էներգիա։

Ըստ նեյտրոնային սպեկտրի

Ջերմային (դանդաղ) նեյտրոնային ռեակտոր («ջերմային ռեակտոր»)
Արագ նեյտրոնային ռեակտոր («արագ ռեակտոր»)

Վառելիքի տեղադրմամբ

Տարասեռ ռեակտորներ, որտեղ վառելիքը դիսկրետ կերպով տեղադրվում է միջուկում՝ բլոկների տեսքով, որոնց միջև կա մոդերատոր.
Միատարր ռեակտորներ, որտեղ վառելիքը և մոդերատորը միատարր խառնուրդ են (միատարր համակարգ):

Տարասեռ ռեակտորում վառելիքը և մոդերատորը կարող են տարածականորեն բաժանվել, մասնավորապես, խոռոչի ռեակտորում մոդերատոր-ռեֆլեկտորը շրջապատում է խոռոչը վառելիքով, որը չի պարունակում մոդերատոր։ Միջուկային ֆիզիկական տեսանկյունից համասեռության/տարասեռության չափանիշը ոչ թե դիզայնն է, այլ վառելիքի բլոկների տեղադրումը տվյալ մոդերատորում նեյտրոնային չափավորության երկարությունը գերազանցող հեռավորության վրա: Այսպիսով, այսպես կոչված «փակ ցանցով» ռեակտորները նախագծված են որպես միատարր, թեև դրանցում վառելիքը սովորաբար առանձնացված է մոդերատորից:

Տարասեռ ռեակտորում միջուկային վառելիքի բլոկները կոչվում են վառելիքի բլոկներ (FA), որոնք տեղակայված են միջուկում կանոնավոր ցանցային հանգույցներում՝ ձևավորելով. բջիջները.

Ըստ վառելիքի տեսակի

ուրանի իզոտոպներ 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
պլուտոնիումի իզոտոպ 239 (239 Pu), նաև 239-242 Pu իզոտոպներ՝ 238 U-ով խառնուրդի տեսքով (MOX վառելիք)
թորիումի իզոտոպ 232 (232 Th) (փոխակերպման միջոցով 233 U)

Ըստ հարստացման աստիճանի.

բնական ուրան
թույլ հարստացված ուրան
բարձր հարստացված ուրան

Ըստ քիմիական կազմի.

մետաղական U
UC (ուրանի կարբիդ) և այլն:

Ըստ հովացուցիչ նյութի տեսակի

Գազ, (տես Գրաֆիտ-գազի ռեակտոր)
D 2 O (ծանր ջուր, տես Ծանր ջրի միջուկային ռեակտոր, CANDU)

Ըստ մոդերատորի տեսակի

C (գրաֆիտ, տես Գրաֆիտ-գազի ռեակտոր, Գրաֆիտ-ջուր ռեակտոր)
H2O (ջուր, տես Թեթև ջրի ռեակտոր, ջրով սառեցված ռեակտոր, VVER)
D 2 O (ծանր ջուր, տես Ծանր ջրի միջուկային ռեակտոր, CANDU)
Մետաղների հիդրիդներ
Առանց մոդերատորի (տես Արագ ռեակտոր)

Դիզայնով

Գոլորշի առաջացման մեթոդով

Արտաքին գոլորշու գեներատորով ռեակտոր (տես Ջուր-ջուր ռեակտոր, VVER)

ՄԱԳԱՏԷ-ի դասակարգումը

PWR (ճնշված ջրի ռեակտորներ) - ջուր-ջուր ռեակտոր (ճնշված ջրի ռեակտոր);
BWR (եռացող ջրի ռեակտոր) - եռացող ջրի ռեակտոր;
FBR (արագ բուծող ռեակտոր) - արագ աճեցնող ռեակտոր;
GCR (գազով սառեցված ռեակտոր) - գազով սառեցված ռեակտոր;
LWGR (թեթև ջրի գրաֆիտի ռեակտոր) - գրաֆիտ-ջրի ռեակտոր
PHWR (ճնշված ծանր ջրի ռեակտոր) - ծանր ջրի ռեակտոր

Աշխարհում ամենատարածվածը ճնշման տակ ջրի (մոտ 62%) և եռացող ջրի (20%) ռեակտորներն են։

Ռեակտորի նյութեր

Նյութերը, որոնցից կառուցված են ռեակտորները, գործում են բարձր ջերմաստիճաններում նեյտրոնների, γ քվանտների և տրոհման բեկորների դաշտում։ Հետևաբար, տեխնոլոգիայի այլ ճյուղերում օգտագործվող ոչ բոլոր նյութերն են հարմար ռեակտորների կառուցման համար: Ռեակտորի նյութերն ընտրելիս հաշվի են առնվում դրանց ճառագայթման դիմադրությունը, քիմիական իներտությունը, կլանման խաչմերուկը և այլ հատկություններ:

Նյութերի ճառագայթային անկայունությունը ավելի քիչ ազդեցություն է ունենում բարձր ջերմաստիճաններում: Ատոմների շարժունակությունն այնքան մեծ է դառնում, որ նկատելիորեն մեծանում է բյուրեղյա ցանցից տապալված ատոմների իրենց տեղը վերադառնալու կամ ջրածնի և թթվածնի վերահամակցման հավանականությունը ջրի մոլեկուլի մեջ: Այսպիսով, էներգիայի ոչ եռացող ռեակտորներում (օրինակ՝ VVER) ջրի ռադիոլիզը աննշան է, մինչդեռ հզոր հետազոտական ռեակտորներում զգալի քանակությամբ պայթուցիկ խառնուրդ է արտազատվում։ Ռեակտորներն ունեն հատուկ համակարգեր այն այրելու համար։

Ռեակտորի նյութերը շփվում են միմյանց հետ (վառելիքի կեղևը հովացուցիչ նյութով և միջուկային վառելիքով, վառելիքի ձայներիզներ հովացուցիչ նյութով և մոդերատորով և այլն): Բնականաբար, շփվող նյութերը պետք է լինեն քիմիապես իներտ (համատեղելի): Անհամատեղելիության օրինակ է ուրանը և տաք ջուրը, որոնք մտնում են քիմիական ռեակցիայի մեջ:

Նյութերի մեծ մասի համար ամրության հատկությունները կտրուկ վատանում են ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Էլեկտրաէներգիայի ռեակտորներում կառուցվածքային նյութերը գործում են բարձր ջերմաստիճաններում: Սա սահմանափակում է շինանյութերի ընտրությունը, հատկապես ուժային ռեակտորի այն մասերի համար, որոնք պետք է դիմակայեն բարձր ճնշմանը:

Միջուկային վառելիքի այրումը և վերարտադրությունը

Միջուկային ռեակտորի շահագործման ընթացքում վառելիքի մեջ տրոհման բեկորների կուտակման պատճառով փոխվում է նրա իզոտոպային և քիմիական կազմը և ձևավորվում է. տրանսուրանային տարրեր, հիմնականում իզոտոպներ։ Միջուկային ռեակտորի ռեակտիվության վրա տրոհման բեկորների ազդեցությունը կոչվում է թունավորում(ռադիոակտիվ բեկորների համար) և խարամում(կայուն իզոտոպների համար):

Ռեակտորի թունավորման հիմնական պատճառն այն է, որն ունի ամենամեծ նեյտրոնների կլանման խաչմերուկը (2,6·10 6 գոմ): Կիսաժամկետ 135 Xe Տ 1/2 = 9,2 ժամ; Բաժանման ժամանակ եկամտաբերությունը 6-7% է։ 135 Xe-ի հիմնական մասը ձևավորվում է քայքայման արդյունքում ( Տ 1/2 = 6,8 ժամ): Թունավորման դեպքում Քեֆը փոխվում է 1-3%-ով։ 135 Xe-ի մեծ կլանման խաչմերուկը և 135 I միջանկյալ իզոտոպի առկայությունը հանգեցնում են երկու կարևոր երևույթի.

135 Xe-ի կոնցենտրացիայի ավելացմանը և, հետևաբար, ռեակտորի ռեակտիվության նվազմանը այն դադարեցվելուց կամ հզորությունը նվազեցնելուց հետո («յոդի փոս»), ինչը անհնարին է դարձնում կարճաժամկետ կանգառները և ելքային հզորության տատանումները։ . Այս էֆեկտը հաղթահարվում է կարգավորող մարմիններում ռեակտիվության ռեզերվի ներդրմամբ։ Յոդի ջրհորի խորությունը և տևողությունը կախված է նեյտրոնային հոսքից Ф: Ֆ = 5·10 18 նեյտրոն/(սմ²·վրկ) յոդի հորատանցքի տեւողությունը ~ 30 ժամ է, իսկ խորությունը 2 անգամ ավելի մեծ է, քան ստացիոնարը: Keff-ի փոփոխություն՝ առաջացած 135 Xe-ի թունավորմամբ:
Թունավորման պատճառով կարող են առաջանալ F նեյտրոնային հոսքի, հետևաբար նաև ռեակտորի հզորության տարածական տատանումներ։ Այս տատանումները տեղի են ունենում Ф > 10 18 նեյտրոն/(սմ² վրկ) և մեծ չափսերռեակտոր. Տատանումների ժամանակաշրջանները ~ 10 ժամ:

Երբ տեղի է ունենում միջուկային տրոհում մեծ թվովկայուն բեկորներ, որոնք տարբերվում են կլանման խաչմերուկներով՝ համեմատած տրոհվող իզոտոպի կլանման խաչմերուկի հետ: Դրվագների համակենտրոնացումը հետ մեծ արժեքԿլանման խաչմերուկը հագեցվածության է հասնում ռեակտորի շահագործման առաջին մի քանի օրվա ընթացքում: Դրանք հիմնականում տարբեր «տարիքի» վառելիքի ձողեր են։

Վառելիքի ամբողջական փոփոխության դեպքում ռեակտորն ունի ավելցուկային ռեակտիվություն, որը պետք է փոխհատուցվի, մինչդեռ երկրորդ դեպքում փոխհատուցումը պահանջվում է միայն ռեակտորի առաջին գործարկումից հետո: Շարունակական գերբեռնումը հնարավորություն է տալիս մեծացնել այրման խորությունը, քանի որ ռեակտորի ռեակտիվությունը որոշվում է տրոհվող իզոտոպների միջին կոնցենտրացիաներով:

Բեռնված վառելիքի զանգվածը գերազանցում է բեռնաթափված վառելիքի զանգվածը՝ արձակված էներգիայի «քաշի» պատճառով։ Ռեակտորն անջատվելուց հետո, նախ՝ հիմնականում ուշացած նեյտրոնների տրոհման, իսկ հետո 1-2 րոպե անց տրոհման բեկորների և տրանսուրանի տարրերի β- և γ ճառագայթման հետևանքով, վառելիքի էներգիայի արտազատումը շարունակվում է։ Եթե ռեակտորը բավական երկար է աշխատել մինչև կանգ առնելը, ապա դադարեցնելուց 2 րոպե հետո էներգիայի արտազատումը կազմում է մոտ 3%, 1 ժամ հետո՝ 1%, մեկ օր հետո՝ 0,4%, մեկ տարի հետո՝ սկզբնական հզորության 0,05%-ը։

Միջուկային ռեակտորում առաջացած տրոհվող Pu իզոտոպների քանակի և այրված 235 U-ի քանակի հարաբերությունը կոչվում է. փոխակերպման տոկոսադրույքըԿ Կ . K K-ի արժեքը մեծանում է հարստացման և այրման նվազումով: Բնական ուրան օգտագործող ծանր ջրի ռեակտորի համար, 10 ԳՎտ օր/տ այրումով K K = 0,55 և փոքր այրումներով (այս դեպքում K K կոչվում է. սկզբնական պլուտոնիումի գործակիցը) K K = 0,8: Եթե միջուկային ռեակտորը այրվում է և արտադրում է նույն իզոտոպները (բուծող ռեակտոր), ապա վերարտադրության արագության և այրման արագության հարաբերակցությունը կոչվում է. վերարտադրության արագությունը K V. Ջերմային նեյտրոններ օգտագործող միջուկային ռեակտորներում K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов էաճում է և Աընկնում է.

Միջուկային ռեակտորի կառավարում

Միջուկային ռեակտորի կառավարումը հնարավոր է միայն շնորհիվ այն բանի, որ տրոհման ժամանակ նեյտրոնների մի մասը բեկորներից դուրս է թռչում ուշացումով, որը կարող է տատանվել մի քանի միլիվայրկյանից մինչև մի քանի րոպե։

Ռեակտորը կառավարելու համար օգտագործվում են կլանիչ ձողեր, որոնք մտցվում են միջուկ, պատրաստված նյութերից, որոնք ուժեղ կլանում են նեյտրոնները (հիմնականում և որոշ այլ) և (կամ) բորաթթվի լուծույթ, որը ավելացվում է հովացուցիչ նյութին որոշակի կոնցենտրացիայի մեջ (բորի հսկողություն) . Ձողերի շարժումը վերահսկվում է հատուկ մեխանիզմներով, շարժիչներով, որոնք գործում են ըստ օպերատորի ազդանշանների կամ նեյտրոնային հոսքի ավտոմատ կառավարման սարքավորումների:

Տարբեր արտակարգ իրավիճակների դեպքում յուրաքանչյուր ռեակտորին տրամադրվում է շղթայական ռեակցիայի վթարային դադարեցում, որն իրականացվում է բոլոր ներծծող ձողերը միջուկի մեջ գցելով՝ վթարային պաշտպանության համակարգ:

Մնացորդային ջերմություն

Միջուկային անվտանգության հետ անմիջականորեն կապված կարևոր խնդիր է քայքայման ջերմությունը: Սա միջուկային վառելիքի յուրահատկությունն է, որը կայանում է նրանում, որ տրոհման շղթայական ռեակցիայի դադարեցումից և էներգիայի ցանկացած աղբյուրի համար սովորական ջերմային իներցիայից հետո ռեակտորում ջերմության արտազատումը երկար ժամանակ շարունակվում է, ինչը ստեղծում է մի շարք. տեխնիկապես բարդ խնդիրներ:

Մնացորդային ջերմությունը ռեակտորի աշխատանքի ընթացքում վառելիքում կուտակված տրոհման արտադրանքների β- և γ-քայքայման հետևանք է: Ճեղքման արտադրանքի միջուկները քայքայման պատճառով վերածվում են ավելի կայուն կամ լիովին կայուն վիճակի՝ զգալի էներգիայի արտազատմամբ։

Թեև քայքայման ջերմության արտանետման արագությունը արագորեն նվազում է մինչև կայուն արժեքների համեմատ փոքր արժեքների, բարձր հզորության ռեակտորներում դա նշանակալի է բացարձակ մեծությամբ: Այդ իսկ պատճառով մնացորդային ջերմության առաջացումը անհրաժեշտ է երկար ժամանակապահովել ջերմության հեռացումը ռեակտորի միջուկից անջատումից հետո: Այս խնդիրը պահանջում է ռեակտորի տեղակայման նախագծումը, որպեսզի ունենա հովացման համակարգեր՝ հուսալի էլեկտրամատակարարմամբ, ինչպես նաև պահանջում է երկարաժամկետ (3-4 տարի) օգտագործված միջուկային վառելիքի պահեստավորում հատուկ ջերմաստիճանային ռեժիմով պահեստարաններում՝ հովացման լողավազաններում, որոնք սովորաբար գտնվում է ռեակտորի մոտակայքում:

Տես նաև

Խորհրդային Միությունում նախագծված և կառուցված միջուկային ռեակտորների ցանկ

գրականություն

Լևին Վ. Է. Միջուկային ֆիզիկա և միջուկային ռեակտորներ. 4-րդ հրատ. - Մ.: Ատոմիզդատ, 1979:
Շուկոլյուկով Ա. Յու. Բնական միջուկային ռեակտոր». «Քիմիա և կյանք» թիվ 6, 1980, էջ. 20-24 թթ

Նշումներ

«ZEEP - Կանադայի առաջին միջուկային ռեակտորը», Կանադայի գիտության և տեխնիկայի թանգարան:
Գրեշիլով Ա.Ա., Էգուպով Ն.Դ., Մատուշչենկո Ա.Մ.Միջուկային վահան. - Մ.: Լոգոս, 2008. - 438 էջ. -

Միջուկային ռեակտորը սարքավորում է, որում տեղի է ունենում վերահսկվող միջուկային շղթայական ռեակցիա՝ ուղեկցվող էներգիայի արտազատմամբ։

Պատմություն

Միջուկային տրոհման ինքնակառավարվող վերահսկվող շղթայական ռեակցիա (կարճ շղթայական ռեակցիա) առաջին անգամ իրականացվել է 1942 թվականի դեկտեմբերին: Մի խումբ ֆիզիկոսներ Չիկագոյի համալսարան, գլխավորությամբ Է.Ֆերմի, կառուցել է աշխարհի առաջին միջուկային ռեակտորը, կոչ ՍՌ-1. Այն բաղկացած էր գրաֆիտի բլոկներից, որոնց միջև գտնվում էին բնական ուրանի և դրա երկօքսիդի գնդիկները։ Միջուկային տրոհումից հետո առաջացող արագ նեյտրոններ 235U, դանդաղեցվել են գրաֆիտից մինչև ջերմային էներգիաներ, իսկ հետո առաջացրել նոր միջուկային տրոհումներ։ SR-1-ի նման ռեակտորները, որոնցում տրոհումների մեծ մասը տեղի է ունենում ջերմային նեյտրոնների ազդեցության տակ, կոչվում են ջերմային նեյտրոնային ռեակտորներ։ Դրանք ուրանի համեմատ շատ մոդերատոր են պարունակում:

IN ԽՍՀՄՄի խումբ ֆիզիկոսների և ինժեներների կողմից ակադեմիկոսի ղեկավարությամբ իրականացվել են ռեակտորների գործարկման, շահագործման և կառավարման առանձնահատկությունների տեսական և փորձարարական ուսումնասիրություններ. I. V. Կուրչատովա. Խորհրդային առաջին ռեակտորը F1Դեկտեմբերի 25-ին տեղադրված է կրիտիկական վիճակում: F-1 ռեակտորը պատրաստված է գրաֆիտի բլոկներից և ունի մոտավորապես 7,5 մ տրամագծով գնդակի ձև, 6 մ տրամագծով գնդակի կենտրոնական մասում ձողերը տեղադրվում են գրաֆիտի բլոկների անցքերի միջով: F-1 ռեակտորում կատարված հետազոտությունների արդյունքները հիմք են հանդիսացել ավելի բարդ արդյունաբերական ռեակտորների նախագծերի համար։ 1949 թվականին շահագործման է հանձնվել պլուտոնիումի արտադրության ռեակտորը, իսկ 1954 թվականի հունիսի 27-ին Օբնինսկում շահագործման է հանձնվել աշխարհում առաջին ատոմակայանը՝ 5 ՄՎտ էլեկտրական հզորությամբ։

Դիզայնը և շահագործման սկզբունքը

Էներգիայի ազատման մեխանիզմ

Եթե նկատի ունենանք էներգիայի արտազատման մակրոսկոպիկ սանդղակը, ապա նյութի բոլոր մասնիկները կամ սկզբում գոնե որոշ մասը պետք է ունենան ռեակցիաներ գրգռելու համար անհրաժեշտ կինետիկ էներգիա։ Դա հնարավոր է միայն միջավայրի ջերմաստիճանը բարձրացնելով այն արժեքի, որի դեպքում ջերմային շարժման էներգիան մոտենում է գործընթացի ընթացքը սահմանափակող էներգիայի շեմին: Մոլեկուլային փոխակերպումների, այսինքն՝ քիմիական ռեակցիաների դեպքում, նման աճը սովորաբար հարյուրավոր աստիճանի Կելվին է, սակայն միջուկային ռեակցիաների դեպքում այն առնվազն 107°K է՝ բախվող միջուկների Կուլոնյան արգելքների շատ բարձր բարձրության պատճառով։ Միջուկային ռեակցիաների ջերմային գրգռումը գործնականում իրականացվում է միայն ամենաթեթև միջուկների սինթեզի ժամանակ, որոնցում կուլոնյան արգելքները նվազագույն են (ջերմամիջուկային միաձուլում)։ Մասնիկների միացման միջոցով գրգռումը չի պահանջում մեծ կինետիկ էներգիա և, հետևաբար, կախված չէ միջավայրի ջերմաստիճանից, քանի որ այն տեղի է ունենում մասնիկների գրավիչ ուժերին բնորոշ չօգտագործված կապերի պատճառով: Բայց ռեակցիաները գրգռելու համար անհրաժեշտ են հենց մասնիկները: Եվ եթե մենք կրկին նկատի ունենք ոչ թե ռեակցիայի առանձին ակտ, այլ մակրոսկոպիկ մասշտաբով էներգիայի արտադրություն, ապա դա հնարավոր է միայն այն դեպքում, երբ տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա։ Վերջինս տեղի է ունենում, երբ ռեակցիան գրգռող մասնիկները նորից հայտնվում են որպես էկզոէներգետիկ ռեակցիայի արտադրանք։

Տարասեռ ջերմային նեյտրոնային ռեակտորի սխեմատիկ կառուցվածքը1 - հսկիչ ձող; 2 - կենսաբանական պաշտպանություն; 3 - ջերմային պաշտպանություն; 4 - մոդերատոր; 5 - միջուկային վառելիք; 6 - հովացուցիչ նյութ:

Տարասեռ ջերմային նեյտրոնային ռեակտորի սխեմատիկ ձևավորում

հսկիչ գավազան;

կենսաբանական պաշտպանություն;

ջերմային պաշտպանություն;

մոդերատոր;

միջուկային վառելիք;

հովացուցիչ նյութ.

Դիզայն

Ցանկացած միջուկային ռեակտոր բաղկացած է հետևյալ մասերից.

Միջուկային վառելիքով և մոդերատորով միջուկ;

Միջուկը շրջապատող նեյտրոնային ռեֆլեկտոր;

Հովացուցիչ նյութ;

Շղթայական ռեակցիայի կառավարման համակարգ, ներառյալ արտակարգ իրավիճակների պաշտպանությունը

Ճառագայթային պաշտպանություն

Հեռակառավարման համակարգ

Ռեակտորի հիմնական բնութագիրը նրա ելքային հզորությունն է։ 1 ՄՎտ հզորությունը համապատասխանում է շղթայական ռեակցիայի, որի ժամանակ 1 վայրկյանում տեղի է ունենում 3·1016 տրոհում։

Գործողության ֆիզիկական սկզբունքները

Միջուկային ռեակտորի ներկա վիճակը կարող է բնութագրվել k նեյտրոնների բազմապատկման արդյունավետ գործակցով կամ ρ ռեակտիվությամբ, որոնք կապված են հետևյալ հարաբերություններով.

Այս քանակությունների համար բնորոշ են հետևյալ արժեքները.

k > 1 - շղթայական ռեակցիան ժամանակի ընթացքում մեծանում է, ռեակտորը գտնվում է գերկրիտիկական վիճակում, նրա ռեակտիվությունը ρ > 0;

կ< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - միջուկային տրոհումների թիվը հաստատուն է, ռեակտորը գտնվում է կայուն կրիտիկական վիճակում:

Միջուկային ռեակտորի համար կրիտիկական պայման.

ω-ն մասնաբաժինն է լրիվ համարըռեակտորում առաջացած նեյտրոններ, որոնք կլանված են ռեակտորի միջուկում, կամ նեյտրոնների վերջնական ծավալից արտահոսքից խուսափելու հավանականությունը:

k 0-ը նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցն է անսահման մեծ միջուկում:

Ակնհայտ է, որ Կ< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

ջերմային ռեակտորների համար k0-ը կարելի է որոշել՝ օգտագործելով այսպես կոչված «4 գործոնի բանաձևը».

μ - արագ նեյտրոնների բազմապատկման գործակից;

φ-ը ռեզոնանսային գրավումից խուսափելու հավանականությունն է.

θ-ջերմային նեյտրոնների օգտագործման գործակից;

η-ն նեյտրոնի ելքն է մեկ կլանման համար:

Ժամանակակից ուժային ռեակտորների ծավալները կարող են հասնել հարյուրավոր մ3-ի և որոշվում են հիմնականում ոչ թե կրիտիկական պայմաններով, այլ ջերմության հեռացման հնարավորություններով։

Միջուկային ռեակտորի կրիտիկական ծավալը կրիտիկական վիճակում գտնվող ռեակտորի միջուկի ծավալն է: Կրիտիկական զանգվածը կրիտիկական վիճակում գտնվող ռեակտորում տրոհվող նյութի զանգվածն է:

Նեյտրոնների արտահոսքը նվազեցնելու համար միջուկին տրվում է գնդաձև կամ մոտ գնդաձև ձև, օրինակ՝ կարճ գլան կամ խորանարդ, քանի որ այս թվերն ունեն մակերեսի և ծավալի ամենափոքր հարաբերակցությունը:

Չնայած այն հանգամանքին, որ (e - 1) արժեքը սովորաբար փոքր է, արագ նեյտրոնների բազմապատկման դերը բավականին մեծ է, քանի որ մեծ միջուկային ռեակտորների համար (K∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Յոդի փոս

Յոդի փոսը միջուկային ռեակտորի վիճակ է այն անջատվելուց հետո, որը բնութագրվում է քսենոնի կարճատև իզոտոպի (135 Xe) կուտակմամբ։ Այս գործընթացը հանգեցնում է զգալի բացասական ռեակտիվության ժամանակավոր ի հայտ գալուն, ինչը, իր հերթին, անհնար է դարձնում ռեակտորը որոշակի ժամկետում (մոտ 1-2 օր) հասցնել իր նախագծային հզորությանը:

Դասակարգում

Օգտագործման բնույթով

Ըստ դրանց օգտագործման բնույթի՝ միջուկային ռեակտորները բաժանվում են.

Փորձարարական ռեակտորներ, որոնք նախատեսված են տարբեր ֆիզիկական մեծություններ ուսումնասիրելու համար, որոնց նշանակությունն անհրաժեշտ է միջուկային ռեակտորների նախագծման և շահագործման համար. նման ռեակտորների հզորությունը չի գերազանցում մի քանի կՎտ.

Հետազոտական ռեակտորներ, որոնցում միջուկում ստեղծված նեյտրոնների և γ-քվանտների հոսքերը օգտագործվում են միջուկային ֆիզիկայի, պինդ վիճակի ֆիզիկայի, ճառագայթային քիմիայի, կենսաբանության բնագավառում հետազոտությունների համար՝ ինտենսիվ նեյտրոնային հոսքերում աշխատելու համար նախատեսված նյութերի փորձարկման համար (այդ թվում՝ մասեր. միջուկային ռեակտորների), իզոտոպների արտադրության համար։ Հետազոտական ռեակտորների հզորությունը չի գերազանցում 100 ՄՎտ; Ազատված էներգիան, որպես կանոն, չի օգտագործվում։

Իզոտոպային (զենքեր, արդյունաբերական) ռեակտորներ, որոնք օգտագործվում են միջուկային զենքի մեջ օգտագործվող իզոտոպներ արտադրելու համար, օրինակ՝ 239Pu։

Էներգետիկ ռեակտորներ, որոնք նախատեսված են էներգիայի ոլորտում օգտագործվող էլեկտրական և ջերմային էներգիա արտադրելու, ջրի աղազերծման, նավերի էլեկտրակայաններ վարելու համար և այլն; Ժամանակակից ուժային ռեակտորի ջերմային հզորությունը հասնում է 3-5 ԳՎտ-ի։

Ըստ նեյտրոնային սպեկտրի

Ջերմային նեյտրոնային ռեակտոր («ջերմային ռեակտոր»)

Արագ նեյտրոնային ռեակտոր («արագ ռեակտոր»)

Միջանկյալ նեյտրոնային ռեակտոր

Վառելիքի տեղադրմամբ

Տարասեռ ռեակտորներ, որտեղ վառելիքը դիսկրետ կերպով տեղադրվում է միջուկում՝ բլոկների տեսքով, որոնց միջև կա մոդերատոր.

Միատարր ռեակտորներ, որտեղ վառելիքը և մոդերատորը միատարր խառնուրդ են (միատարր համակարգ):

Տարասեռ ռեակտորում միջուկային վառելիքի բլոկները կոչվում են վառելիքի տարրեր (վառելիքի տարրեր), որոնք տեղադրվում են միջուկում՝ կանոնավոր վանդակի հանգույցներում՝ ձևավորելով բջիջներ։

Ըստ վառելիքի տեսակի

Ըստ հարստացման աստիճանի.

Բնական ուրան

Թեթև հարստացված ուրան

Մաքուր տրոհվող իզոտոպ

Ըստ քիմիական կազմի.

մետաղական U

UO 2 (ուրանի երկօքսիդ)

UC (ուրանի կարբիդ) և այլն:

Ըստ հովացուցիչ նյութի տեսակի

H 2 O (ջուր, տես ջուր-ջուր ռեակտոր)

Գազ, (տես Գրաֆիտ-գազի ռեակտոր)

Օրգանական սառեցված ռեակտոր

Հեղուկ մետաղով սառեցված ռեակտոր

Հալած աղի ռեակտոր

Ըստ մոդերատորի տեսակի

C (գրաֆիտ, տես Գրաֆիտ-գազի ռեակտոր, Գրաֆիտ-ջուր ռեակտոր)

H 2 O (ջուր, տես Թեթև ջրի ռեակտոր, Ջուր-ջուր ռեակտոր, VVER)

D 2 O (ծանր ջուր, տես Ծանր ջրի միջուկային ռեակտոր, CANDU)

Մետաղների հիդրիդներ

Առանց հետաձգողի

Դիզայնով

Նավերի ռեակտորներ

Channel ռեակտորներ

Գոլորշի առաջացման մեթոդով

Արտաքին գոլորշու գեներատորով ռեակտոր

Եռացող ռեակտոր

21-րդ դարի սկզբին ամենատարածվածը տարասեռ միջուկային ռեակտորներն են, որոնք օգտագործում են ջերմային նեյտրոններ՝ մոդերատորներով՝ H 2 O, C, D 2 O և հովացուցիչ նյութեր՝ H 2 O, գազ, D 2 O, օրինակ՝ ջուր-ջուր VVER , ալիք RBMK.

Խոստումնալից են նաև արագ ռեակտորները։ Դրանցում վառելիքը 238U է, ինչը հնարավորություն է տալիս տասնյակ անգամ բարելավել միջուկային վառելիքի օգտագործումը ջերմային ռեակտորների համեմատ, ինչը զգալիորեն մեծացնում է միջուկային էներգիայի պաշարները։

Ռեակտորի նյութեր

Նյութերը, որոնցից կառուցված են ռեակտորները, գործում են բարձր ջերմաստիճաններում նեյտրոնների, γ-քվանտների և տրոհման բեկորների դաշտում։ Հետևաբար, տեխնոլոգիայի այլ ճյուղերում օգտագործվող ոչ բոլոր նյութերն են հարմար ռեակտորների կառուցման համար: Ռեակտորի նյութերն ընտրելիս հաշվի են առնվում դրանց ճառագայթման դիմադրությունը, քիմիական իներտությունը, կլանման խաչմերուկը և այլ հատկություններ:

Վառելիքի տարրերի պատյանները, ալիքները, մոդերատորները (ռեֆլեկտորները) պատրաստված են փոքր կլանման խաչմերուկ ունեցող նյութերից: Նեյտրոնները թույլ կլանող նյութերի օգտագործումը նվազեցնում է նեյտրոնների անիմաստ սպառումը, նվազեցնում է միջուկային վառելիքի բեռնումը և մեծացնում նեյտրոնների վերարտադրության գործակիցը։ Ընդհակառակը, կլանող ձողերի համար հարմար են մեծ կլանման խաչմերուկ ունեցող նյութերը: Սա զգալիորեն նվազեցնում է ռեակտորի կառավարման համար անհրաժեշտ ձողերի քանակը:

Արագ նեյտրոնները, γ-քվանտան և տրոհման բեկորները վնասում են նյութի կառուցվածքը։ Այսպիսով, պինդ նյութում արագ նեյտրոնները ատոմները դուրս են հանում բյուրեղյա ցանցից կամ դրանք տեղից տեղափոխում։ Արդյունքում, նյութերի պլաստիկ հատկությունները և ջերմային հաղորդունակությունը վատանում են: Բարդ մոլեկուլները ճառագայթման միջոցով բաժանվում են ավելի պարզ մոլեկուլների կամ բաղադրիչ ատոմների։ Օրինակ, ջուրը քայքայվում է թթվածնի և ջրածնի: Այս երեւույթը հայտնի է որպես ջրի ռադիոլիզ:

Ռեակտորի նյութերը շփվում են միմյանց հետ (վառելիքի ծածկը հովացուցիչ նյութով և միջուկային վառելիքով, վառելիքի ձայներիզներ հովացուցիչ նյութով և մոդերատորով և այլն): Բնականաբար, շփվող նյութերը պետք է լինեն քիմիապես իներտ (համատեղելի): Անհամատեղելիության օրինակ է ուրանը և տաք ջուրը, որոնք մտնում են քիմիական ռեակցիայի մեջ:

Միջուկային վառելիքի այրումը և վերարտադրությունը

Միջուկային ռեակտորի աշխատանքի ընթացքում վառելիքում տրոհման բեկորների կուտակման պատճառով փոխվում է նրա իզոտոպային և քիմիական բաղադրությունը, ձևավորվում են տրանսուրանային տարրեր, հիմնականում Pu իզոտոպներ։ Միջուկային ռեակտորի ռեակտիվության վրա տրոհման բեկորների ազդեցությունը կոչվում է թունավորում (ռադիոակտիվ բեկորների համար) և խարամ (կայուն իզոտոպների համար)։

Ռեակտորի թունավորման հիմնական պատճառը 135 Xe-ն է, որն ունի ամենամեծ նեյտրոնների կլանման խաչմերուկը (2,6 106 գոմ): Կես կյանքը 135 Xe T½ = 9,2 ժամ; տրոհման ելքը 6-7% է։ 135Xe-ի հիմնական մասը ձևավորվում է 135I-ի քայքայման արդյունքում (T½ = 6,8 ժ): Թունավորման դեպքում Ցեֆը փոխվում է 1-3%-ով։ 135 Xe-ի մեծ կլանման խաչմերուկը և 135 I միջանկյալ իզոտոպի առկայությունը հանգեցնում են երկու կարևոր երևույթի.

135 Xe-ի կոնցենտրացիայի ավելացմանը և, հետևաբար, ռեակտորի ռեակտիվության նվազմանը այն դադարեցվելուց կամ հզորությունը նվազեցնելուց հետո («յոդի փոս»), ինչը անհնարին է դարձնում կարճաժամկետ կանգառները և ելքային հզորության տատանումները։ . Այս էֆեկտը հաղթահարվում է կարգավորող մարմիններում ռեակտիվության ռեզերվի ներդրմամբ։ Յոդի հորի խորությունը և տևողությունը կախված է նեյտրոնային հոսքից Ф: Ֆ = 5·1018 նեյտրոն/(սմ 2 ·վրկ) յոդի հորատանցքի տևողությունը ˜ 30 ժամ է, իսկ խորությունը 2 անգամ ավելի մեծ է, քան անշարժը: Kef-ի փոփոխություն՝ առաջացած 135 Xe-ի թունավորմամբ:

Թունավորման պատճառով կարող են առաջանալ F նեյտրոնային հոսքի, հետևաբար նաև ռեակտորի հզորության տարածական տատանումներ։ Այս տատանումները տեղի են ունենում Ф > 1018 նեյտրոնների/(սմ 2 վրկ) և մեծ ռեակտորի չափերի դեպքում։ Տատանումների ժամանակաշրջանները ~ 10 ժամ:

Միջուկային տրոհումից առաջանում են մեծ թվով կայուն բեկորներ, որոնք տարբերվում են կլանման խաչմերուկներով՝ համեմատած տրոհվող իզոտոպի կլանման խաչմերուկի հետ։ Մեծ կլանման խաչմերուկ ունեցող բեկորների կոնցենտրացիան հասնում է հագեցվածության ռեակտորի աշխատանքի առաջին մի քանի օրվա ընթացքում: Սա հիմնականում 149Սմ է, որը փոխում է Կեֆը 1%-ով։ Փոքր կլանման խաչմերուկ ունեցող բեկորների կոնցենտրացիան և բացասական ռեակտիվությունը ժամանակի ընթացքում աճում են գծային:

Միջուկային ռեակտորում տրանսուրանային տարրերի ձևավորումը տեղի է ունենում հետևյալ սխեմաների համաձայն.

235 U + n → 236 U + n → 237 U →(7 օր)→ 237 Np + n → 238 Np →(2,1 օր)→ 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 րոպե)→ 239 Np →(2,3 օր)→ 239 Pu (+բեկորներ) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+բեկորներ) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 ժ)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 րոպե)→ 244 սմ

Սլաքների միջև ընկած ժամանակը ցույց է տալիս կիսամյակը, «+n»-ը՝ նեյտրոնի կլանումը:

Ռեակտորի աշխատանքի սկզբում տեղի է ունենում 239 Pu-ի գծային կուտակում, և որքան արագ է (235 U ֆիքսված այրման դեպքում), այնքան ցածր է ուրանի հարստացումը: Ավելին, 239 Pu-ի կոնցենտրացիան ձգտում է հաստատուն արժեքի, որը կախված չէ հարստացման աստիճանից, այլ որոշվում է 238 U և 239 Pu նեյտրոնների գրավման խաչմերուկների հարաբերակցությամբ: 239 Pu ˜ 3/F տարի հավասարակշռության կոնցենտրացիայի հաստատման բնորոշ ժամանակը (F 1013 նեյտրոն/սմ 2 ×վրկ միավորներով): 240 Pu և 241 Pu իզոտոպները հասնում են հավասարակշռության կոնցենտրացիաների միայն այն դեպքում, երբ միջուկային վառելիքի վերականգնումից հետո վառելիքը կրկին այրվում է միջուկային ռեակտորում:

Միջուկային վառելիքի այրումը բնութագրվում է ռեակտորում 1 վառելիքի համար թողարկվող ընդհանուր էներգիայով: Այս արժեքը հետևյալն է.

˜ 10 ԳՎտ օր/տ - ծանր ջրի ռեակտորներ;

˜ 20-30 ԳՎտ օր/տ - թույլ հարստացված ուրան օգտագործող ռեակտորներ (2-3% 235U);

մինչև 100 ԳՎտ օր/տ - արագ նեյտրոնային ռեակտորներ։

1 ԳՎտ օր/տ այրումը համապատասխանում է միջուկային վառելիքի 0,1%-ի այրմանը:

Քանի որ վառելիքը այրվում է, ռեակտորի ռեակտիվությունը նվազում է: Այրված վառելիքի փոխարինումը կատարվում է անմիջապես ամբողջ միջուկից կամ աստիճանաբար՝ թողնելով տարբեր «տարիքի» վառելիքի ձողեր: Այս ռեժիմը կոչվում է շարունակական լիցքավորում:

Բեռնված վառելիքի զանգվածը գերազանցում է բեռնաթափված վառելիքի զանգվածը՝ արձակված էներգիայի «քաշի» պատճառով։ Ռեակտորն անջատվելուց հետո, նախ՝ հիմնականում ուշացած նեյտրոնների տրոհման, իսկ հետո 1-2 րոպե անց տրոհման բեկորների և տրանսուրանի տարրերի β- և γ ճառագայթման հետևանքով, վառելիքի էներգիայի արտազատումը շարունակվում է։ Եթե ռեակտորը բավական երկար է աշխատել մինչև անջատվելը, ապա անջատումից 2 րոպե անց էներգիայի արտանետումը կազմում է մոտ 3%, 1 ժամ հետո՝ 1%, 24 ժամ հետո՝ 0,4%, մեկ տարի հետո՝ 0,05%։

Միջուկային ռեակտորում առաջացած տրոհվող Pu իզոտոպների քանակի և այրված 235 U-ի քանակի հարաբերակցությունը կոչվում է փոխակերպման գործակից KK: KK արժեքը մեծանում է հարստացման և այրման նվազումով: Բնական ուրան օգտագործող ծանր ջրի ռեակտորի համար 10 ԳՎտ օր/տ այրման դեպքում KK = 0,55, իսկ փոքր այրման դեպքում (այս դեպքում KK-ն կոչվում է նախնական պլուտոնիումի գործակից) KK = 0,8: Եթե միջուկային ռեակտորը այրվում է և արտադրում է նույն իզոտոպները (բուծման ռեակտոր), ապա բուծման արագության և այրման արագության հարաբերակցությունը կոչվում է բուծման գործոն KB: ԿՎ ջերմային նեյտրոններ օգտագործող միջուկային ռեակտորներում< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Միջուկային ռեակտորի կառավարում

Միջուկային ռեակտորը կարող է երկար ժամանակ աշխատել տվյալ հզորությամբ միայն այն դեպքում, եթե այն գործարկման սկզբում ունի ռեակտիվության պաշար: Ռեակտորում տեղի ունեցող գործընթացները հանգեցնում են միջավայրի բազմապատկման հատկությունների վատթարացմանը, և առանց ռեակտիվությունը վերականգնելու մեխանիզմի, ռեակտորը չի կարողանա աշխատել նույնիսկ կարճ ժամանակով: Նախնական ռեակտիվության պահուստը ստեղծվում է կրիտիկական չափերը զգալիորեն գերազանցող միջուկ կառուցելով: Որպեսզի ռեակտորը չդառնա գերկրիտիկական, միջուկ են ներմուծվում նեյտրոնային ներծծող նյութեր։ Կլանիչները հսկիչ ձողերի նյութի մի մասն են, որոնք շարժվում են միջուկի համապատասխան ալիքներով: Ավելին, եթե կարգավորման համար բավական են մի քանի ձողեր, ապա սկզբնական ավելցուկային ռեակտիվությունը փոխհատուցելու համար ձողերի թիվը կարող է հասնել հարյուրների։ Փոխհատուցող ձողերը աստիճանաբար հեռացվում են ռեակտորի միջուկից՝ ապահովելով կրիտիկական վիճակ նրա աշխատանքի ողջ ընթացքում: Այրվածքի փոխհատուցումը կարելի է ձեռք բերել նաև հատուկ կլանիչներ օգտագործելու միջոցով, որոնց արդյունավետությունը նվազում է, երբ դրանք նեյտրոններ են գրավում (Cd, B, հազվագյուտ հողային տարրեր) կամ ներծծող նյութերի լուծույթները մոդերատորում:

Միջուկային ռեակտորի կառավարումը պարզեցված է նրանով, որ տրոհման ժամանակ նեյտրոնների մի մասը դուրս է թռչում բեկորներից ուշացումով, որը կարող է տատանվել 0,2-ից մինչև 55 վայրկյան: Դրա շնորհիվ նեյտրոնային հոսքը և, համապատասխանաբար, հզորությունը փոխվում են բավականին սահուն՝ ժամանակ տալով որոշում կայացնելու և ռեակտորի վիճակը արտաքինից փոխելու համար։

Միջուկային ռեակտորը կառավարելու համար օգտագործվում է կառավարման և պաշտպանության համակարգ (CPS): CPS մարմինները բաժանվում են.

Արտակարգ իրավիճակ՝ նվազեցնելով ռեակտիվությունը (բացասական ռեակտիվություն ներմուծելով ռեակտոր), երբ հայտնվում են վթարային ազդանշաններ.

Ավտոմատ կարգավորիչներ, որոնք պահպանում են մշտական նեյտրոնային հոսք F (այսինքն, ելքային հզորությունը);

Փոխհատուցում, ծառայում է փոխհատուցելու թունավորումը, այրումը, ջերմաստիճանի ազդեցությունը:

Շատ դեպքերում ռեակտորը կառավարելու համար օգտագործվում են միջուկի մեջ մտցված ձողեր և պատրաստված նյութերից, որոնք ուժեղ կլանում են նեյտրոնները (Cd, B և այլն): Ձողերի շարժումը վերահսկվում է հատուկ մեխանիզմներով, որոնք գործում են նեյտրոնային հոսքի մեծության նկատմամբ զգայուն սարքերի ազդանշանների հիման վրա:

Անվտանգության կառավարման ձողերի շահագործումը նկատելիորեն պարզեցված է բացասական ռեակտորների համար ջերմաստիճանի գործակիցըռեակտիվություն (r-ն նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ):

Ռեակտորի վիճակի մասին տեղեկատվության հիման վրա հատուկ համակարգչային համալիրը առաջարկում է օպերատորին փոխել ռեակտորի վիճակը, կամ, որոշակի սահմաններում, ռեակտորը կառավարվում է առանց օպերատորի մասնակցության:

Շղթայական ռեակցիայի անկանխատեսելի աղետալի զարգացման դեպքում յուրաքանչյուր ռեակտորին տրամադրվում է շղթայական ռեակցիայի վթարային դադարեցում, որն իրականացվում է հատուկ վթարային ձողեր կամ անվտանգության ձողեր միջուկ գցելով՝ վթարային պաշտպանության համակարգ:

Միջուկային ռեակտորն աշխատում է սահուն և արդյունավետ։ Հակառակ դեպքում, ինչպես գիտեք, դժվարություններ կլինեն։ Բայց ի՞նչ է կատարվում ներսում։ Փորձենք հակիրճ, հստակ, կանգառներով ձեւակերպել միջուկային (միջուկային) ռեակտորի աշխատանքի սկզբունքը։

Ըստ էության, այնտեղ տեղի է ունենում նույն գործընթացը, ինչ միջուկային պայթյունի ժամանակ։ Միայն պայթյունը տեղի է ունենում շատ արագ, բայց ռեակտորում այս ամենը երկար է ձգվում։ Արդյունքում ամեն ինչ մնում է առողջ ու առողջ, և մենք էներգիա ենք ստանում։ Ոչ այնքան, որ շրջակայքում ամեն ինչ միանգամից ավերվեր, այլ միանգամայն բավարար քաղաքին էլեկտրաէներգիա ապահովելու համար։

Նախքան հասկանալը, թե ինչպես է տեղի ունենում վերահսկվող միջուկային ռեակցիան, դուք պետք է իմանաք, թե ինչ է դա: միջուկային ռեակցիա ընդհանրապես։

Միջուկային ռեակցիա ատոմային միջուկների փոխակերպման (տրոհման) գործընթացն է, երբ դրանք փոխազդում են տարրական մասնիկների և գամմա քվանտների հետ։

Միջուկային ռեակցիաները կարող են տեղի ունենալ ինչպես էներգիայի կլանման, այնպես էլ թողարկման ժամանակ: Ռեակտորն օգտագործում է երկրորդ ռեակցիաները։

Միջուկային ռեակտոր սարք է, որի նպատակն է պահպանել վերահսկվող միջուկային ռեակցիան էներգիայի արտազատմամբ։

Հաճախ միջուկային ռեակտորը կոչվում է նաև ատոմային ռեակտոր։ Նկատենք, որ այստեղ սկզբունքային տարբերություն չկա, բայց գիտության տեսանկյունից ավելի ճիշտ է օգտագործել «միջուկային» բառը։ Այժմ կան բազմաթիվ տեսակի միջուկային ռեակտորներ։ Սրանք հսկայական արդյունաբերական ռեակտորներ են, որոնք նախատեսված են էլեկտրակայաններում էներգիա արտադրելու համար, սուզանավերի միջուկային ռեակտորներ, փոքր փորձնական ռեակտորներ, որոնք օգտագործվում են գիտական փորձեր. Կան նույնիսկ ռեակտորներ, որոնք օգտագործվում են ծովի ջրի աղազրկման համար:

Միջուկային ռեակտորի ստեղծման պատմությունը

Առաջին միջուկային ռեակտորը գործարկվել է ոչ այնքան հեռավոր 1942 թվականին։ Դա տեղի է ունեցել ԱՄՆ-ում՝ Ֆերմիի գլխավորությամբ։ Այս ռեակտորը կոչվում էր «Chicago Woodpile»:

1946 թվականին սկսեց գործել առաջին խորհրդային ռեակտորը, որը գործարկվեց Կուրչատովի ղեկավարությամբ։ Այս ռեակտորի մարմինը յոթ մետր տրամագծով գնդակ էր։ Առաջին ռեակտորները չունեին հովացման համակարգ, և նրանց հզորությունը նվազագույն էր։ Ի դեպ, խորհրդային ռեակտորն ուներ միջինը 20 Վտ հզորություն, իսկ ամերիկյանը՝ ընդամենը 1 Վտ։ Համեմատության համար՝ ժամանակակից ուժային ռեակտորների միջին հզորությունը 5 ԳՎտ է։ Առաջին ռեակտորի գործարկումից տասը տարի էլ չանցած՝ Օբնինսկ քաղաքում բացվեց աշխարհում առաջին արդյունաբերական ատոմակայանը։

Միջուկային (միջուկային) ռեակտորի աշխատանքի սկզբունքը

Ցանկացած միջուկային ռեակտոր ունի մի քանի մասեր. միջուկը Հետ վառելիք Եվ վարող , նեյտրոնային ռեֆլեկտոր , հովացուցիչ նյութ , հսկողության և պաշտպանության համակարգ . Իզոտոպներն առավել հաճախ օգտագործվում են որպես վառելիք ռեակտորներում։ ուրան (235, 238, 233), պլուտոնիում (239) և թորիում (232): Ակտիվ գոտին կաթսա է, որի միջոցով հոսում է պարզ ջուր(հովացուցիչ նյութ): Ի թիվս այլ հովացուցիչ նյութերի, «ծանր ջուրը» և հեղուկ գրաֆիտը ավելի քիչ են օգտագործվում: Եթե խոսենք ատոմակայանների շահագործման մասին, ապա ջերմություն արտադրելու համար օգտագործվում է միջուկային ռեակտոր։ Էլեկտրաէներգիան ինքնին արտադրվում է նույն մեթոդով, ինչ այլ տեսակի էլեկտրակայաններում՝ գոլորշին պտտում է տուրբինը, իսկ շարժման էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի:

Ստորև ներկայացված է միջուկային ռեակտորի աշխատանքի սխեման:

Ինչպես արդեն ասացինք, ուրանի ծանր միջուկի քայքայումից առաջանում են ավելի թեթև տարրեր և մի քանի նեյտրոններ։ Ստացված նեյտրոնները բախվում են այլ միջուկների հետ՝ առաջացնելով նաև դրանց տրոհում։ Միաժամանակ նեյտրոնների թիվը ձնահյուսի պես աճում է։

Այստեղ պետք է նշել նեյտրոնների բազմապատկման գործակից . Այսպիսով, եթե այս գործակիցը գերազանցում է մեկին հավասար արժեքը, միջուկային պայթյուն. Եթե արժեքը մեկից պակաս է, նեյտրոնները շատ քիչ են, և ռեակցիան մահանում է: Բայց եթե պահպանում եք գործակցի արժեքը մեկին հավասար, արձագանքը կշարունակվի երկար և կայուն։

Հարցն այն է, թե ինչպես դա անել: Ռեակտորում վառելիքը գտնվում է այսպես կոչված վառելիքի տարրեր (TVELakh). Սրանք ձողեր են, որոնք պարունակում են փոքր հաբերի տեսքով. միջուկային վառելիք . Վառելիքի ձողերը միացված են վեցանկյունաձև ձայներիզների մեջ, որոնցից ռեակտորում կարող են լինել հարյուրավոր: Վառելիքի ձողերով ձայներիզները դասավորված են ուղղահայաց, և յուրաքանչյուր վառելիքի ձող ունի համակարգ, որը թույլ է տալիս կարգավորել միջուկի մեջ դրա ընկղմման խորությունը: Բացի իրենց ձայներիզներից, դրանք ներառում են հսկիչ ձողեր Եվ վթարային պաշտպանության ձողեր . Ձողերը պատրաստված են մի նյութից, որը լավ կլանում է նեյտրոնները։ Այսպիսով, հսկիչ ձողերը կարող են իջեցվել միջուկի տարբեր խորություններում՝ դրանով իսկ կարգավորելով նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցը: Վթարային ձողերը նախատեսված են արտակարգ իրավիճակների դեպքում ռեակտորը անջատելու համար:

Ինչպե՞ս է սկսվում միջուկային ռեակտորը:

Մենք ինքնին պարզել ենք շահագործման սկզբունքը, բայց ինչպե՞ս սկսել և գործարկել ռեակտորը: Կոպիտ ասած, ահա՝ ուրանի մի կտոր, բայց շղթայական ռեակցիան դրանում ինքնուրույն չի սկսվում։ Փաստն այն է, որ միջուկային ֆիզիկայում կա մի հասկացություն կրիտիկական զանգված .

Կրիտիկական զանգվածը տրոհվող նյութի զանգվածն է, որն անհրաժեշտ է միջուկային շղթայական ռեակցիա սկսելու համար:

Վառելիքի ձողերի և հսկիչ ձողերի օգնությամբ ռեակտորում սկզբում ստեղծվում է միջուկային վառելիքի կրիտիկական զանգված, ապա մի քանի փուլով ռեակտորը հասցվում է օպտիմալ հզորության մակարդակի։

Այս հոդվածում մենք փորձեցինք ձեզ ընդհանուր պատկերացում տալ միջուկային (միջուկային) ռեակտորի կառուցվածքի և շահագործման սկզբունքի մասին: Եթե ունեք հարցեր թեմայի վերաբերյալ կամ ձեզ հարցրել են միջուկային ֆիզիկայի խնդիր համալսարանում, խնդրում ենք դիմել մեր ընկերության մասնագետներին. Ինչպես միշտ, մենք պատրաստ ենք օգնել ձեզ լուծել ձեր ուսման հետ կապված ցանկացած հրատապ խնդիր: Եվ մինչ մենք դրանում ենք, ահա ևս մեկ ուսումնական տեսանյութ ձեր ուշադրության համար:

Միջուկային էներգիայի կարևորությունը ժամանակակից աշխարհում

Միջուկային էներգիան հսկայական առաջընթաց է գրանցել վերջին մի քանի տասնամյակների ընթացքում՝ դառնալով շատ երկրների համար էլեկտրաէներգիայի ամենակարևոր աղբյուրներից մեկը: Միաժամանակ պետք է հիշել, որ այս ոլորտի զարգացումը ազգային տնտեսությունԱրժե տասնյակ հազարավոր գիտնականների, ինժեներների և սովորական աշխատողների հսկայական ջանքերը, ովքեր անում են ամեն ինչ, որպեսզի «խաղաղ ատոմը» չվերածվի իրական սպառնալիքի միլիոնավոր մարդկանց համար։ Ցանկացած ատոմակայանի իրական կորիզը ատոմային ռեակտորն է։

Միջուկային ռեակտորի ստեղծման պատմություն

Առաջին նման սարքը կառուցվել է Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ամենաթեժ պահին ԱՄՆ-ում հայտնի գիտնական և ինժեներ Է.Ֆերմիի կողմից։ Նրա պատճառով անսովոր տեսքԱյս միջուկային ռեակտորը, որը հիշեցնում է գրաֆիտի բլոկների կույտ, որոնք դրված են իրար վրա, կոչվում էր Չիկագոյի կույտ։ Հարկ է նշել, որ այս սարքը գործում էր ուրանի վրա, որը տեղադրված էր հենց բլոկների արանքում։

Խորհրդային Միությունում միջուկային ռեակտորի ստեղծում

Մեր երկրում մեծ ուշադրություն է դարձվել նաև միջուկային հիմնախնդիրներին։ Չնայած այն հանգամանքին, որ գիտնականների հիմնական ջանքերը կենտրոնացած էին ատոմի ռազմական օգտագործման վրա, նրանք ստացված արդյունքները ակտիվորեն օգտագործում էին խաղաղ նպատակներով։ Առաջին միջուկային ռեակտորը՝ F-1 ծածկանունը, կառուցվել է մի խումբ գիտնականների կողմից՝ հայտնի ֆիզիկոս Ի.Կուրչատովի գլխավորությամբ 1946 թվականի դեկտեմբերի վերջին։ Նրա զգալի թերությունը ցանկացած տեսակի հովացման համակարգի բացակայությունն էր, ուստի դրա կողմից թողարկված էներգիայի հզորությունը չափազանց աննշան էր: Միևնույն ժամանակ, սովետական հետազոտողները ավարտին հասցրին իրենց սկսած աշխատանքը, որի արդյունքում ընդամենը ութ տարի անց բացվեց աշխարհի առաջին էլեկտրակայանը։ միջուկային վառելիքՕբնինսկ քաղաքում։

Ռեակտորի շահագործման սկզբունքը

Միջուկային ռեակտորը չափազանց բարդ և վտանգավոր տեխնիկական սարք է։ Նրա գործողության սկզբունքը հիմնված է այն փաստի վրա, որ ուրանի քայքայման ժամանակ մի քանի նեյտրոններ են արտազատվում, որոնք, իրենց հերթին, տապալում են տարրական մասնիկները հարևան ուրանի ատոմներից։ Այս շղթայական ռեակցիան զգալի քանակությամբ էներգիա է թողարկում ջերմության և գամմա ճառագայթների տեսքով: Միաժամանակ պետք է հաշվի առնել այն հանգամանքը, որ եթե այդ ռեակցիան որևէ կերպ չվերահսկվի, ապա ուրանի ատոմների տրոհումը ամենակարճ ժամկետում կարող է հանգեցնել անցանկալի հետևանքներով հզոր պայթյունի։

Որպեսզի ռեակցիան ընթանա խիստ սահմանված սահմաններում, մեծ նշանակությունունի միջուկային ռեակտորի սարք։ Ներկայումս յուրաքանչյուր նման կառույց մի տեսակ կաթսա է, որի միջով հոսում է հովացուցիչ նյութը: Սովորաբար այս հզորությամբ ջուրն օգտագործվում է, սակայն կան ատոմակայաններ, որոնք օգտագործում են հեղուկ գրաֆիտ կամ ծանր ջուր։ Անհնար է պատկերացնել ժամանակակից միջուկային ռեակտոր առանց հարյուրավոր հատուկ վեցանկյուն ձայներիզների։ Դրանք պարունակում են վառելիք արտադրող տարրեր, որոնց ալիքներով հոսում են հովացուցիչ նյութեր։ Այս ձայներիզը պատված է հատուկ շերտով, որն ունակ է արտացոլել նեյտրոնները և դրանով իսկ դանդաղեցնել շղթայական ռեակցիան։

Միջուկային ռեակտորը և դրա պաշտպանությունը

Այն ունի պաշտպանության մի քանի մակարդակ: Բացի բուն մարմնից, այն ծածկված է հատուկ ջերմամեկուսիչով և վերևում կենսաբանական պաշտպանությամբ։ Ինժեներական տեսանկյունից այս կառույցը հզոր երկաթբետոնե բունկեր է, որի դռները հնարավորինս ամուր փակված են։