Ядерный реактор

Работа ядерного реактора четкая и слаженная. В противоположном случае – быть беде. Но что происходит внутри него? В этой статье мы рассмотрим принцип работы ядерного реактора.

Работа ядерного реактора

Фактически внутри ядерного реактора происходят те же самые процессы, что и при ядерном взрыве. Только реальный взрыв происходит за секунды, а в реакторе процессы происходят длительно и под контролем. В результате такой работы все остается целым и невредимым, а человечество получает необходимую энергию.
Как мы знаем, ядерной реакцией называют процесс превращения (деления) атомных ядер во время их взаимодействия с элементарными частицами и гамма-квантами. Принцип ядерного реактора заключается в использовании реакций с выделением энергии.
Ядерным реактором называют устройство, которое предназначено для поддержания контролируемой ядерной реакции. Зачастую ядерный реактор называют атомным. 

Каждый ядерный реактор состоит из нескольких частей:

• активной зоны с топливом и замедлителем
• отражателя нейтронов
• теплоносителя
• системы управления и защиты.

Топливом в ядерных реакторах служат изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232). Активная зона – это, по сути, котел, через который протекает простая вода, выступающая в качестве теплоносителя. Также теплоносителем может быть «тяжелая вода» или жидкий графит. Однако, их используют довольно редко.
Как работает ядерный реактор? Непосредственно электричество вырабатывается аналогичным образом, как и на прочих типах электростанций, то есть методом вращения турбины паром. При этом энергия движения трансформируется в электрическую энергию.
Все устройство ядерного реактора базируется на реакциях распада тяжелых ядер урана, в процессе чего формируются более легкие элементы и несколько нейтронов. Эти нейтроны при столкновении с другими ядрами, приводят к их делению. Во время этих реакций количество нейтронов растет лавинообразно.
Очень важным фактором является коэффициент размножения нейтронов. К примеру, когда этот показатель больше единицы происходит ядерный взрыв. А если он меньше единицы, то нейтронов слишком мало и реакция прекращается. В тоже время, если поддерживать этот коэффициент на уровне единицы, то реакция будет происходить на протяжении длительного времени и достаточно стабильно. Ученые придумали способ, как это сделать.
Внутри реактора топливо располагается в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это своеобразные стержни, внутри которых расположено ядерное топливо. Данные ТВЭЛы объединены в кассеты, имеющие шестигранную форму. Количество таких кассет в одном реакторе может достигать нескольких сотен. Кассеты с ТВЭЛами находятся в вертикальном положении. Примечательно, что у каждого ТВЭЛа своя система, которая дает возможность регулировать глубину его внедрения в активную зону. Между кассетами находятся управляющие стержни, а также стержни аварийной защиты, которые создают из материала, отлично поглощающего нейтроны. Таким образом, управляющие стержни опускают на разную глубину в активную зону, чем и регулируется коэффициент размножения нейтронов. Предназначение аварийных стержней заключается в заглушении реактора в случае чрезвычайной ситуации.
Запуск первого реактора состоялся в 1942 году на территории США. Проектом руководил Ферми.
Через 4 года свою работу начал первый советский реактор, запуском которого занимался Курчатов. Первые ядерные реакторы имели форму шара диаметром семь метров. В них не было системы охлаждения, и они обладали совсем небольшой мощностью. Мощность ядерного реактора, созданного Курчатовым, составляла 20 Ватт. На сегодняшний день уровень мощности достигает 5 Гигаватт.

Типы ядерных реакторов

Изначально разработку промышленных ядерных pеактоpов проводили в стpанах, которые обладали ядеpным оpужием. Такие страны, как США, СССР, Великобpитания и Фpанция проводили исследования разных вариантов ядерных pеактоpов. Тем не менее, основными стали лишь три типа:

• pеактоp на обогащенном уpане можно назвать наиболее популярным вариантом. В качестве теплоносителя и замедлителя выступает обычная, или «легкая», вода. Выделяют два вида таких реакторов. В одном паp, который вpащает туpбины, формируется прямо в активной зоне (кипящий реактор), а во втором паp формируется во внешнем контуpе, который связан с пеpвым при помощи теплообменников и паpогенеpатоpов. Первые легководные реакторы были созданы для подводных лодок и авианосцев ВМФ США
• газоохлаждаемый pеактоp. В нем присутствует гpафитовый замедлитель. В середине прошлого века ученые из Великобpитании и Фpанции занимались усовершенствованием именно таких реакторов, потому что они достаточно эффективно вырабатывают оружейный плутоний, а также способны функционировать на пpиродном уpане
• реактоp, в котоpом и теплоноситель, и замедлитель представлен тяжелой водой, а в качестве топлива используется природный уран. Такие реакторы наиболее популярны в Канаде, где много месторождений уpана.

Однако, на сегодняшний день в мире используется пять типов ядерных реакторов:

• реактор ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)
• РБМК (реактор большой мощности канальный)
• реактор на тяжелой воде
• реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром
• реактор на быстрых нейтронах.

ВВЭР наибольшее распространение получили в России. К достоинствам можно отнести относительную дешевизну применяемого в них теплоносителя-замедлителя (обычная вода), а также высокий уровень безопасности в эксплуатации, невзирая на то, что в них находится обогащенный уран
РБМК создан немного иначе, чем ВВЭР. В его активной зоне осуществляется процесс кипения – из реактора подается пароводяная смесь, проходящая через сепараторы, и разделяющаяся на воду и пар. Уровень мощности РБМК составляет 1000 Мвт. Такие реакторы установлены в Ленинградской, Курской, Чернобыльской, Смоленской и Игналинской АЭС.
Реакторы РБМК нуждаются в меньшем обогащении топлива, а также характеризуется лучшими возможностями по наработке делящегося вещества (плутония). Однако, более опасен в использовании. Также, в результате отсутствия второго контура у РБМК больше выделяют радиации в атмосферу.
Реактор на тяжелой воде отличается довольно низкой степенью поглощения нейтронов и очень высокими замедляющими качествами, которые превышают аналогичные параметры графита.
В реакторе с шаровой засыпкой активная зона выполнена в форме шара, засыпанного тепловыделяющими элементами. Отдельный элемент - графитовая сфера с вкраплениями частиц оксида урана. Через реактор проходит углекислый газ (СО2). Газ попадает в активную зону под давлением и после этого подается на теплообменник.
Реактор на быстрых нейтронах кардинально отличается от прочих реакторов. Он предназначен для обеспечения расширенного воспроизводства делящегося плутония из урана-238 для того, чтобы сжечь весь или большую часть природного урана. Развитие энергетики реакторов на быстрых нейтронах поможет решить задачу самообеспечения ядерной отрасли топливом.
Такой реактор не содержит замедлителя. По этой причине применяется не уран-235, а плутоний и уран-238, способные делиться от быстрых нейтронов. Плутоний гарантирует высокую плотность нейтронного потока, которую не способен выдать уран-238. Уровень тепловыделения реактора на быстрых нейтронах в 10-15 раз выше тепловыделения реакторов на медленных нейтронах. Из-за этого воду пришлось заменить расплавом натрия. На территории России существует лишь один реактор такого типа - на Белоярской АЭС.

Ядерные реакторы мира

На сегодняшний день в мире работает 447 ядерных реакторов разных типов, вырабатывающих огромный объем энергии – 391 386 МВт. Еще 60 реакторов пребывают в разных этапах возведения. Далее перечислим 10 государств – лидеров в ядерной энергетике:

• на территории США расположено почти 100 работающих реакторов, среди которых самая крупная – Пало-Верде. Кроме этого, 4 американских реактора возводятся. Суммарный уровень мощности достигает 99 535 МВт и удовлетворяет 19,5% общей генерации в стране
• во Франции находится 58 работающих реакторов, а самой крупной является – Гравелин. Суммарнй уровень мощности – 63 130 МВт, что удовлетворяет 76,3% потребности государства
• в Японии расположено 43 действующих реактора, в том числе самая крупная на планете – Касивадзаки-Карива. Суммарный уровень мощности составляет 40 480 МВт
• Китай имеет 35 работающих реакторов, с суммарным уровнем мощности 31 617 МВт, что удовлетворяет примерно 4% потребностей страны. Еще 22 реактора мощностью в 24 166 МВт активно возводятся
• в России тоже 35 реакторов, самой мощной из которых является Балаковская АЭС. Суммарный уровень мощности АЭС России достигает 26 865 МВт
• в Южной Корее 25 реакторов, среди них и вторая по мощности на планете - Йонван (Ханул). Суммарный уровень мощности составляет 23 017 МВт, что удовлетворяет 32% потребности в государстве
• в Индии построено 22 реактора. Общая мощность работающих АЭС Индии равняется 6 219 МВт, что удовлетворяет лишь 3,5% потребностей страны
• Канада располагает 19 реакторами, с совокупной мощностью 13 553 МВт. Этот объем равен 16,6% от суммарной выработки электроэнергии в государстве
• в Украине 15 реакторов. Самая крупная на территории Европы, и третья по мощности в мире – Запорожская АЭС. Суммарный уровень мощности украинских реакторов составляет 13 107 МВт, что удовлетворяет 56,5% от общей электроэнергии.
• на последней строчке в нашем рейтинге находится Великобритания. В этой стране 15 реакторов с общей мощностью 8 883 МВт.