Centrală nucleară: cum funcționează? Combustibil nuclear: tipuri și procesare.

Energia nucleară este formată din cantitate mareîntreprinderi în diverse scopuri. Materiile prime pentru această industrie sunt extrase din minele de uraniu. Apoi este livrat la fabricile de producere a combustibilului.

Combustibilul este apoi transportat la centralele nucleare, unde intră în miezul reactorului. Când combustibilul nuclear ajunge la sfârșitul duratei de viață utilă, acesta este supus eliminării. Este de remarcat faptul că deșeurile periculoase apar nu numai după reprocesarea combustibilului, ci și în orice etapă - de la extracția uraniului până la lucrul în reactor.

Combustibil nuclear

Există două tipuri de combustibil. Primul este uraniul extras în mine, care este de origine naturală. Conține materii prime care sunt capabile să formeze plutoniu. Al doilea este combustibilul care este creat artificial (secundar).

Combustibilul nuclear este, de asemenea, împărțit în funcție de compozitia chimica: metal, oxid, carbură, nitrură și mixt.

Extracția uraniului și producția de combustibil

O mare parte a producției de uraniu are loc în doar câteva țări: Rusia, Franța, Australia, SUA, Canada și Africa de Sud.

Uraniul este principalul element de combustibil în centralele nucleare. Pentru a intra în reactor, acesta trece prin mai multe etape de procesare. Cel mai adesea, zăcămintele de uraniu sunt situate lângă aur și cupru, astfel încât extracția acestuia se realizează cu extracția metalelor prețioase.

În timpul exploatării miniere, sănătatea umană este expusă unui mare risc deoarece uraniul este un material toxic, iar gazele care apar în timpul exploatării sale provoacă diverse forme de cancer. Deși minereul în sine conține o cantitate foarte mică de uraniu - de la 0,1 la 1 la sută. Populația care locuiește în apropierea minelor de uraniu este, de asemenea, expusă unui mare risc.

Uraniul îmbogățit este principalul combustibil pentru centralele nucleare, dar după utilizarea lui rămâne o cantitate imensă de deșeuri radioactive. În ciuda tuturor pericolelor sale, îmbogățirea uraniului este un proces integral de creare a combustibilului nuclear.

În forma sa naturală, uraniul practic nu poate fi folosit nicăieri. Pentru a fi folosit, trebuie să fie îmbogățit. Pentru îmbogățire se folosesc centrifugele cu gaz.

Uraniul îmbogățit este folosit nu numai în energia nucleară, ci și în producția de arme.

Transport

În orice etapă a ciclului combustibilului există transport. Este realizat de toată lumea moduri accesibile: pe uscat, pe mare, pe aer. Acesta este un risc mare și un pericol mare nu numai pentru mediu, ci și pentru oameni.

În timpul transportului combustibilului nuclear sau a elementelor acestuia, au loc multe accidente, având ca rezultat eliberarea de elemente radioactive. Acesta este unul dintre numeroasele motive pentru care este considerat nesigur.

Dezafectarea reactoarelor

Niciunul dintre reactoare nu a fost demontat. Chiar și infamul Cernobîl. Ideea este că, potrivit experților, costul dezmembrării este egal cu, sau chiar depășește, costul construirii unui nou reactor. Dar nimeni nu poate spune cu exactitate de câți bani va fi nevoie: costul a fost calculat pe baza experienței de demontare a stațiilor mici pentru cercetare. Experții oferă două opțiuni:

1. Puneți reactoarele și combustibilul nuclear uzat în depozite.
2. Construiți sarcofage peste reactoare dezafectate.

În următorii zece ani, aproximativ 350 de reactoare din întreaga lume vor ajunge la sfârșitul duratei de viață și trebuie scoase din funcțiune. Dar din moment ce cea mai potrivită metodă din punct de vedere al siguranței și prețului nu a fost inventată, această problemă este încă în curs de rezolvare.

În prezent, în întreaga lume funcționează 436 de reactoare. Desigur, aceasta este o mare contribuție la sistemul energetic, dar este foarte nesigur. Cercetările arată că în 15-20 de ani, centralele nucleare vor putea fi înlocuite cu stații care funcționează cu energie eoliană și panouri solare.

Deșeuri nucleare

O cantitate imensă de deșeuri nucleare este generată ca urmare a activităților centralelor nucleare. Reprocesarea combustibilului nuclear lasă în urmă și deșeuri periculoase. Cu toate acestea, niciuna dintre țări nu a găsit o soluție la problemă.

Astăzi, deșeurile nucleare sunt păstrate în depozite temporare, în bazine de apă sau îngropate la mică adâncime sub pământ.

Cele mai multe mod sigur- aceasta este depozitare în spații speciale de depozitare, dar scurgerile de radiații sunt și aici posibile, ca și în cazul altor metode.

De fapt, deșeurile nucleare au o anumită valoare, dar necesită respectarea strictă a regulilor de depozitare a acestora. Și aceasta este cea mai presantă problemă.

Un factor important este timpul în care deșeurile sunt periculoase. Fiecare are propria sa perioadă de degradare în care este toxic.

Tipuri de deșeuri nucleare

În timpul funcționării oricărei centrale nucleare, deșeurile acesteia intră în mediu. Aceasta este apă pentru turbine de răcire și deșeuri gazoase.

Deșeurile nucleare sunt împărțite în trei categorii:

1. Nivel scăzut - îmbrăcămintea angajaților centralei nucleare, echipamente de laborator. Astfel de deșeuri pot proveni și de la instituții medicale și laboratoare științifice. Nu prezintă un mare pericol, dar necesită respectarea măsurilor de siguranță.
2. nivel intermediar - recipiente metaliceîn care se transportă combustibil. Nivelul lor de radiații este destul de ridicat, iar cei care sunt aproape de ei trebuie protejați.
3. Nivelul ridicat este combustibilul nuclear uzat și produsele sale de reprocesare. Nivelul de radioactivitate scade rapid. Deșeurile de mare activitate sunt foarte mici, aproximativ 3 la sută, dar conțin 95 la sută din toată radioactivitatea.

În 2011, uzina de concentrate chimice din Novosibirsk a produs și vândut 70% din consumul mondial de izotop litiu-7 (1300 kg), stabilind un nou record în istoria fabricii. Cu toate acestea, principalul produs produs de NCCP este combustibilul nuclear.

Această frază are un efect impresionant și înfricoșător asupra conștiinței locuitorilor din Novosibirsk, forțându-i să-și imagineze orice despre întreprindere: de la muncitori cu trei picioare și un separat oraș subteranși terminând cu vânt radioactiv.

Deci, ce se ascunde de fapt în spatele gardurilor celei mai misterioase fabrici din Novosibirsk, care produce combustibil nuclear în oraș?

OJSC „Uzina de concentrate chimice Novosibirsk” este unul dintre cei mai importanți producători mondiali de combustibil nuclear pentru centrale nucleare și reactoare de cercetare din Rusia și ţări străine. Singura producator rus litiu metalic și sărurile sale. Face parte din TVEL Fuel Company a Rosatom State Corporation.

Am venit la atelierul în care se fac ansambluri de combustibil - ansambluri de combustibil, care sunt încărcate în reactoare nucleare. Acesta este combustibilul nuclear pentru centralele nucleare. Pentru a intra în producție, trebuie să puneți un halat, o șapcă, huse de pantofi din material textil și o „Petală” pe față.

Toate lucrările legate de materialele care conțin uraniu sunt concentrate în atelier. Acest complex tehnologic este unul dintre principalele pentru NCCP (ansamblurile de combustibil pentru centralele nucleare ocupă aproximativ 50% din structura produselor vândute a NCCP OJSC).

Sala de control, de unde se controlează procesul de producere a pulberii de dioxid de uraniu, din care se produc apoi pelete de combustibil.

Lucrătorii efectuează întreținerea de rutină: la anumite intervale, chiar și cele mai noi echipamente sunt oprite și verificate. Există întotdeauna mult aer în atelier în sine - ventilația de evacuare funcționează în mod constant.

Pulberea de dioxid de uraniu este depozitată în astfel de biconuri. Acestea amestecă pulberea și plastifiantul, ceea ce permite comprimarea mai bună a tabletei.

O instalație care comprimă peleți de combustibil. Așa cum copiii fac prăjituri de Paște din nisip prin apăsarea pe o matriță, la fel și aici: o tabletă de uraniu este presată sub presiune.

O barcă din molibden cu tablete care așteaptă să fie trimise la cuptor pentru recoacere. Înainte de recoacere, tabletele au o nuanță verzuie și o dimensiune diferită.

Contactul de pulbere, tablete și mediu redus la minimum: toate lucrările se desfășoară în cutii. Pentru a corecta ceva în interior, în cutii sunt încorporate mănuși speciale.

Torțele de deasupra ard hidrogen. Tabletele sunt recoapte în cuptoare la o temperatură de cel puțin 1750 de grade într-un mediu reducător de hidrogen pentru mai mult de 20 de ore.

Dulapurile negre sunt hidrogen cuptoare de înaltă temperatură, în care barca din molibden trece prin diverse zone de temperatura. Amortizorul se deschide, iar o barcă din molibden intră în cuptor, de unde izbucnesc flăcările.

Tabletele finite sunt lustruite deoarece trebuie să aibă o dimensiune strict definită. Iar la ieșire, inspectorii verifică fiecare tabletă pentru a se asigura că nu există așchii, fisuri sau defecte.

O tabletă care cântărește 4,5 g este echivalentă ca eliberare de energie cu 640 kg lemn de foc, 400 kg cărbune, 360 cmc m gaz, 350 kg ulei.

Tablete de dioxid de uraniu după recoacere într-un cuptor cu hidrogen.

Aici, tuburile de zirconiu sunt umplute cu pelete de dioxid de uraniu. La ieșire avem tije de combustibil terminate (aproximativ 4 m lungime) - elemente de combustibil. Tijele de combustibil sunt deja folosite pentru asamblarea ansamblurilor de combustibil, cu alte cuvinte, combustibil nuclear.

Nu veți mai găsi astfel de fântâni de sifon pe străzile orașului, poate doar la NZHK. Deși în vremurile sovietice erau foarte comune.

În această mașină, paharul poate fi spălat și apoi umplut cu apă gazoasă, plată sau rece.

Conform evaluării Departamentului pentru Resurse Naturale și Protecția Mediului în 2010, NCCP nu are un impact semnificativ asupra poluării mediului.

O pereche de astfel de găini de rasă pură trăiește în mod constant și depune ouă într-o incintă din lemn de înaltă calitate, care se află pe teritoriul atelierului.

Muncitorii sudează cadrul pentru ansamblul combustibil. Ramele sunt diferite, în funcție de modificarea ansamblului de combustibil.

Fabrica are 2.277 de angajați, varsta mijlocie personal - 44,3 ani, 58% sunt bărbați. Salariul mediu depășește 38.000 de ruble.

Tuburile mari sunt canale pentru sistemul de control al protecției reactorului. În acest cadru vor fi apoi instalate 312 tije de combustibil.

Lângă NCCP există CHPP-4. Referitor la ecologiști, reprezentanții centralei au raportat: pe an, o centrală termică emite de 7,5 ori mai multe substanțe radioactive decât NCCP.

Mecanicul de asamblare Viktor Pustozerov, un veteran al industriei centralelor și a energiei nucleare, are 2 Ordine de Glorie a Muncii

Cap și tijă pentru ansambluri de combustibil. Sunt instalate la sfârșit, când toate cele 312 tije de combustibil sunt deja în cadru.

Control final: ansamblurile combustibile finite sunt verificate cu sonde speciale astfel încât distanța dintre barele de combustibil să fie aceeași. Controlorii sunt de cele mai multe ori femei;

În astfel de containere, ansamblurile de combustibil sunt trimise consumatorului - câte 2 casete în fiecare. Înăuntru au propriul lor pat confortabil din pâslă.

Combustibilul pentru centralele nucleare produs la JSC NCCP este utilizat la centralele nucleare rusești și este, de asemenea, furnizat în Ucraina, Bulgaria, China, India și Iran. Costul ansamblurilor de combustibil este un secret comercial.

Munca la NCCP nu este deloc mai periculos decât munca pe oricare întreprindere industrială. Starea de sănătate a lucrătorilor este monitorizată permanent. Pentru ultimii ani Nu a fost identificat niciun caz de boli profesionale în rândul lucrătorilor.

FA (ansamblu combustibil)

Combustibil nuclear- materiale care sunt utilizate în reactoarele nucleare pentru a efectua o reacție controlată de fisiune nucleară în lanț. Combustibil nuclear fundamental diferit de alte tipuri de combustibil folosit de omenire, este extrem de consumator de energie, dar și foarte periculos pentru om, ceea ce impune multe restricții de utilizare din motive de siguranță. Din acest motiv și din multe alte motive, combustibilul nuclear este mult mai dificil de utilizat decât orice tip de combustibil organic și necesită multe măsuri tehnice și organizatorice speciale atunci când îl folosește, precum și personal înalt calificat care se ocupă de el.

Informații generale

O reacție nucleară în lanț implică împărțirea unui nucleu în două părți, numite fragmente de fisiune, cu eliberarea simultană a mai multor (2-3) neutroni, care, la rândul lor, pot provoca fisiunea nucleelor ​​ulterioare. Această fisiune are loc atunci când un neutron lovește nucleul unui atom al substanței originale. Fragmentele de fisiune formate în timpul fisiunii nucleare au energie cinetică mare. Inhibarea fragmentelor de fisiune în materie este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură. Fragmentele de fisiune sunt nuclee formate direct ca urmare a fisiunii. Fragmentele de fisiune și produsele lor de descompunere radioactivă sunt de obicei numite produse de fisiune. Nucleele fisionate de neutroni de orice energie se numesc combustibil nuclear (de regulă, acestea sunt substanțe cu un număr atomic impar). Există nuclee care sunt fisionate doar de neutroni cu energii peste o anumită valoare de prag (de regulă, acestea sunt elemente cu număr atomic par). Astfel de nuclee sunt numite materii prime, deoarece atunci când un neutron este captat de un nucleu de prag, se formează nuclee de combustibil nuclear. Combinația dintre combustibil nuclear și materie primă se numește combustibil nuclear. Mai jos este distribuția energiei de fisiune a nucleului de 235 U între diferitele produse de fisiune (în MeV):

Deoarece energia neutrinului este transportată irevocabil, doar 188 MeV/atom = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg sunt disponibile pentru utilizare (conform altor date (vezi linkul) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atom) .

Uraniul natural este format din trei izotopi: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) și 234 U (0,006%). Nu este întotdeauna potrivit ca combustibil nuclear, mai ales dacă materialele structurale și moderatorul absorb intens neutronii. În acest caz, combustibilul nuclear este fabricat din uraniu îmbogățit. Reactoarele de putere cu neutroni termici folosesc uraniu cu o îmbogățire mai mică de 6%, în timp ce reactoarele cu neutroni rapidi și intermediari utilizează o îmbogățire cu uraniu care depășește 20%. Uraniul îmbogățit este produs la instalații speciale de îmbogățire.

Clasificare

Combustibilul nuclear este împărțit în două tipuri:

• Uraniu natural care conține nuclee fisionabile 235 U, precum și materii prime 238 U, capabile să formeze plutoniu 239 Pu la captarea neutronilor;
• Combustibili secundari care nu se găsesc în natură, inclusiv 239 Pu, obținuți din primul tip de combustibil, precum și izotopii 233 U formați atunci când neutronii sunt capturați de nucleele de toriu 232 Th.

După compoziția chimică, combustibilul nuclear poate fi:

• Metal, inclusiv aliaje;
• Oxid (de exemplu, UO2);
• Carbură (de exemplu, PuC 1-x)
• Mixt (PuO 2 + UO 2)

Aspecte teoretice de aplicare

Combustibilul nuclear este utilizat în reactoarele nucleare sub formă de tablete cu dimensiuni de câțiva centimetri, unde este de obicei situat în elemente de combustibil închise ermetic (elemente de combustibil), care, la rândul lor, pentru ușurință în utilizare, sunt combinate în câteva sute în ansambluri de combustibil ( FA).

Aplicați combustibilului nuclear exigențe mariîn ceea ce privește compatibilitatea chimică cu placarea barelor de combustibil, acesta trebuie să aibă o temperatură suficientă de topire și evaporare, o conductivitate termică bună, o ușoară creștere a volumului în timpul iradierii cu neutroni și capacitatea de fabricație.

Utilizarea uraniului metalic, în special la temperaturi peste 500 °C, este dificilă din cauza umflării acestuia. După fisiunea nucleară, se formează două fragmente de fisiune, al căror volum total este mai mare decât volumul unui atom de uraniu (plutoniu). Unii dintre atomii fragmentului de fisiune sunt atomi de gaz (cripton, xenon etc.). Atomii de gaz se acumulează în porii uraniului și creează presiune internă, care crește odată cu creșterea temperaturii. Datorită modificărilor volumului atomilor în timpul fisiunii și creșterii presiunii interne a gazelor, uraniul și alți combustibili nucleari încep să se umfle. Umflarea se referă la modificarea relativă a volumului de combustibil nuclear asociată cu fisiunea nucleară.

Umflarea depinde de arderea și temperatura barelor de combustibil. Numărul de fragmente de fisiune crește odată cu creșterea arderii, iar presiunea internă a gazului crește odată cu creșterea arderii și a temperaturii. Umflarea combustibilului nuclear poate duce la distrugerea învelișului barei de combustibil. Combustibilul nuclear este mai puțin susceptibil la umflare dacă are proprietăți mecanice ridicate. Uraniul metal nu este unul dintre aceste materiale. Prin urmare, utilizarea uraniului metalic ca combustibil nuclear limitează adâncimea de ardere, care este una dintre principalele caracteristici ale combustibilului nuclear.

Rezistența la radiații și proprietăți mecanice carburanții sunt îmbunătățiți prin doparea uraniului, un proces în care cantități mici de molibden, aluminiu și alte metale sunt adăugate la uraniu. Aditivii de aliere reduc numărul de neutroni de fisiune per neutron captat de combustibilul nuclear. Prin urmare, ei tind să selecteze aditivi de aliere pentru uraniu din materiale care absorb slab neutronii.

Combustibilii nucleari buni includ unii compuși refractari ai uraniului: oxizi, carburi și compuși intermetalici. Cea mai utilizată ceramică este dioxidul de uraniu UO2. Punctul său de topire este de 2800 °C, densitatea este de 10,2 g/cm³. Dioxidul de uraniu nu are tranziții de fază și este mai puțin susceptibil la umflare decât aliajele de uraniu. Acest lucru vă permite să creșteți epuizarea la câteva procente. Dioxidul de uraniu nu reacționează cu zirconiu, niobiu, oțel inoxidabil și alte materiale la temperaturi ridicate. Principalul dezavantaj al ceramicii este conductivitatea termică scăzută - 4,5 kJ/(m K), ceea ce limitează puterea specifică a reactorului în ceea ce privește temperatura de topire. Astfel, densitatea maximă a fluxului de căldură în reactoarele VVER care utilizează dioxid de uraniu nu depășește 1,4⋅10 3 kW/m², în timp ce temperatura maximă în barele de combustibil ajunge la 2200 °C. În plus, ceramica fierbinte este foarte fragilă și se poate crăpa.

Aplicație practică

chitanta

Combustibil cu uraniu

Combustibilul nuclear cu uraniu se obține prin prelucrarea minereurilor. Procesul are loc în mai multe etape:

• Pentru câmpurile sărace: În industria modernă, din cauza lipsei de minereuri bogate de uraniu (excepție fac zăcămintele de tip neconformitate canadian și australian, în care concentrația de uraniu ajunge la 3%), se folosește metoda de levigare subterană a minereurilor. Acest lucru elimină extracția de minereu costisitoare. Pregătirea preliminară intră direct în subteran. Prin puţuri de injecţie acidul sulfuric este pompat sub pământ deasupra zăcământului, uneori cu adăugare de săruri ferice (pentru a oxida uraniul U(IV) la U(VI)), deși minereurile conțin adesea fier și piroluzit, care facilitează oxidarea. Prin puţuri de pompare Folosind pompe speciale, o soluție de acid sulfuric cu uraniu iese la suprafață. Apoi se trece direct la sorbție, extracție hidrometalurgică și îmbogățirea simultană a uraniului.
• Pentru zăcămintele de minereu: folosiți îmbogățirea cu minereu și îmbogățirea cu minereu radiometric.
• Prelucrare hidrometalurgică - zdrobire, levigare, sorbție sau extracție extracție a uraniului pentru a produce oxid de uraniu purificat (U 3 O 8), diuranat de sodiu (Na 2 U 2 O 7) sau diuranat de amoniu ((NH 4) 2 U 2 O 7) .
• Conversia uraniului din oxid în tetrafluorură de UF 4 sau din oxizi direct pentru a produce hexafluorură de UF 6, care este folosită pentru a îmbogăți uraniul în izotopul 235.
• Îmbogățirea prin difuzie termică a gazelor sau centrifugare.
• UF 6 îmbogățit în izotopul 235 este transformat în dioxid de UO 2, din care se fac „pelete” de elemente combustibile sau se obțin alți compuși ai uraniului în același scop.

Centrală nucleară (CNP) - un complex de structuri tehnice concepute pentru a genera energie electrica prin valorificarea energiei eliberate de o reacție nucleară controlată.

Uraniul este folosit ca combustibil comun pentru centralele nucleare. Reacția de fisiune se desfășoară în unitatea principală a unei centrale nucleare - reactor nuclear.

Reactorul este montat într-o carcasă de oțel proiectată pentru hipertensiune arterială- până la 1,6 x 107 Pa, sau 160 atmosfere.
Principalele părți ale VVER-1000 sunt:

1. Zona activă, unde se află combustibilul nuclear, are loc o reacție în lanț de fisiune nucleară și se eliberează energie.
2. Reflector de neutroni care înconjoară miezul.
3. Lichidul de răcire.
4. Sistem de control al protecției (CPS).
5. Protecție împotriva radiațiilor.

Căldura din reactor este eliberată din cauza unei reacții în lanț de fisiune a combustibilului nuclear sub influența neutronilor termici. În acest caz, se formează produse de fisiune nucleară, printre care există atât solide, cât și gaze - xenon, cripton. Produsele de fisiune au o radioactivitate foarte mare, astfel încât combustibilul (pelete de dioxid de uraniu) este plasat în tuburi de zirconiu sigilate - bare de combustibil (elemente de combustibil). Aceste tuburi sunt combinate în mai multe piese una lângă alta într-un singur ansamblu de combustibil. Pentru a controla și proteja un reactor nuclear, se folosesc tije de control care pot fi deplasate de-a lungul întregii înălțimi a miezului. Tijele sunt făcute din substanțe care absorb puternic neutronii - de exemplu, bor sau cadmiu. Când tijele sunt introduse adânc, o reacție în lanț devine imposibilă, deoarece neutronii sunt puternic absorbiți și îndepărtați din zona de reacție. Tijele sunt mutate de la distanță de la panoul de control. Cu o mișcare ușoară a tijelor, procesul de lanț fie se va dezvolta, fie se va estompa. În acest fel este reglată puterea reactorului.

Dispunerea stației este cu dublu circuit. Primul circuit, radioactiv, constă dintr-un reactor VVER 1000 și patru bucle de răcire cu circulație. Al doilea circuit, neradioactiv, include un generator de abur și o unitate de alimentare cu apă și o unitate de turbină cu o capacitate de 1030 MW. Lichidul de răcire primar este apă nefiertă de înaltă puritate, sub o presiune de 16 MPa, cu adăugarea unei soluții de acid boric, un absorbant puternic de neutroni, care este utilizat pentru a regla puterea reactorului.

1. Principal pompe de circulatie apa este pompată prin miezul reactorului, unde este încălzită la o temperatură de 320 de grade datorită căldurii generate de reacția nucleară.
2. Lichidul de răcire încălzit își transferă căldura în apa din circuitul secundar (fluid de lucru), evaporându-l în generatorul de abur.
3. Lichidul de răcire răcit reintră în reactor.
4. Generatorul de abur produce abur saturat sub o presiune de 6,4 MPa, care este furnizată turbinei cu abur.
5. Turbina antrenează rotorul generatorului electric.
6. Aburul evacuat este condensat în condensator și din nou furnizat generatorului de abur de către pompa de condens. Pentru a menține presiunea constantă în circuit, este instalat un compensator de volum de abur.
7. Căldura de condensare a aburului este îndepărtată din condensator prin circulația apei, care este furnizată de pompa de alimentare din iazul răcitor.
8. Atât primul cât și cel de-al doilea circuit al reactorului sunt sigilate. Acest lucru asigură siguranța reactorului pentru personal și public.

Dacă nu este posibilă utilizarea unei cantități mari de apă pentru condensarea aburului, în loc de a folosi un rezervor, apa poate fi răcită în turnuri speciale de răcire (turnuri de răcire).

Siguranța și protecția mediului în funcționarea reactorului sunt asigurate de respectarea strictă a reglementărilor (reguli de exploatare) și de o cantitate mare de echipamente de control. Toate acestea sunt concepute pentru gândire și management eficient reactor.
Protecția de urgență a unui reactor nuclear este un set de dispozitive concepute pentru a opri rapid o reacție nucleară în lanț în miezul reactorului.

Protecția activă de urgență este declanșată automat atunci când unul dintre parametrii unui reactor nuclear atinge o valoare care ar putea duce la un accident. Astfel de parametri pot include: temperatura, presiunea și debitul lichidului de răcire, nivelul și viteza de creștere a puterii.

Elemente executive protectie in caz de urgenta sunt, în cele mai multe cazuri, tije cu o substanță care absoarbe bine neutronii (bor sau cadmiu). Uneori, pentru a opri reactorul, un absorbant de lichid este injectat în bucla de lichid de răcire.

Pe lângă protecția activă, multe proiecte moderne includ și elemente de protecție pasivă. De exemplu, opțiuni moderne Reactoarele VVER includ un „Sistem de răcire a miezului de urgență” (ECCS) - rezervoare speciale cu acid boric situat deasupra reactorului. În cazul unui accident de bază de proiectare maximă (ruperea primului circuit de răcire al reactorului), conținutul acestor rezervoare ajunge gravitațional în interiorul miezului reactorului, iar reacția nucleară în lanț este stinsă printr-o cantitate mare de substanță care conține bor, care absoarbe bine neutronii.

Conform „Regulilor de siguranță nucleară pentru instalațiile reactoarelor centralelor nucleare”, cel puțin unul dintre sistemele de oprire a reactorului prevăzute trebuie să îndeplinească funcția de protecție în caz de urgență (EP). Protecția în caz de urgență trebuie să aibă cel puțin două grupuri independente de elemente de lucru. La semnalul AZ, părțile de lucru AZ trebuie activate din orice poziție de lucru sau intermediară.
Echipamentul AZ trebuie să fie format din cel puțin două seturi independente.

Fiecare set de echipamente AZ trebuie proiectat astfel încât să fie asigurată protecție în intervalul de modificări ale densității fluxului de neutroni de la 7% la 120% din valoarea nominală:
1. După densitatea fluxului de neutroni - nu mai puțin de trei canale independente;
2. În funcție de rata de creștere a densității fluxului de neutroni - nu mai puțin de trei canale independente.

Fiecare set de echipamente de protecție în caz de urgență trebuie proiectat astfel încât, pe întreaga gamă de modificări ale parametrilor tehnologici stabilite în proiectarea centralei reactoare (RP), protecția în caz de urgență să fie asigurată prin cel puțin trei canale independente pentru fiecare parametru tehnologic. pentru care este necesară protecția.

Comenzile de control ale fiecărui set pentru actuatoarele AZ trebuie transmise prin cel puțin două canale. Când un canal dintr-unul dintre seturile de echipamente AZ este scos din funcțiune fără a scoate acest set din funcțiune, un semnal de alarmă ar trebui să fie generat automat pentru acest canal.

Protecția de urgență trebuie declanșată cel puțin în următoarele cazuri:
1. La atingerea setării AZ pentru densitatea fluxului de neutroni.
2. La atingerea setării AZ pentru rata de creștere a densității fluxului de neutroni.
3. Dacă tensiunea dispare în orice set de echipamente de protecție în caz de urgență și magistralele de alimentare CPS care nu au fost scoase din funcțiune.
4. În cazul defectării a două dintre cele trei canale de protecție pentru densitatea fluxului de neutroni sau pentru rata de creștere a fluxului de neutroni în orice set de echipamente AZ care nu a fost scos din funcțiune.
5. Când setările AZ sunt atinse de parametrii tehnologici pentru care trebuie efectuată protecția.
6. La declanșarea AZ de la o cheie dintr-un punct de control al blocului (BCP) sau dintr-un punct de control al rezervă (RCP).

Materialul a fost pregătit de editorii online ai www.rian.ru pe baza informațiilor de la RIA Novosti și a surselor deschise

Generarea de energie nucleară este o metodă modernă și în dezvoltare rapidă de producere a energiei electrice. Știți cum funcționează centralele nucleare? Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Ce tipuri de reactoare nucleare există astăzi? Vom încerca să luăm în considerare în detaliu schema de funcționare a unei centrale nucleare, să ne aprofundăm în proiectarea unui reactor nuclear și să aflăm cât de sigură este metoda nucleară de generare a energiei electrice.

Orice stație este o zonă închisă departe de o zonă rezidențială. Pe teritoriul său există mai multe clădiri. Cea mai importantă structură este clădirea reactorului, alături este camera turbinelor din care este controlat reactorul și clădirea de siguranță.

Schema este imposibilă fără un reactor nuclear. Un reactor atomic (nuclear) este un dispozitiv de o centrală nucleară care este proiectat să organizeze reacţie în lanţ fisiunea neutronilor cu eliberarea obligatorie de energie în timpul acestui proces. Dar care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare?

Întreaga instalație a reactorului este găzduită în clădirea reactorului, un turn mare de beton care ascunde reactorul și va conține toți produsele reacției nucleare în cazul unui accident. Acest turn mare se numește reținere, înveliș ermetic sau zonă de reținere.

Zona ermetică din reactoarele noi are 2 pereți groși de beton - învelișuri.
Învelișul exterior, gros de 80 cm, protejează zona de izolare de influențele externe.

Carcasa interioară, de 1 metru și 20 cm grosime, are cabluri speciale din oțel care măresc rezistența betonului de aproape trei ori și vor preveni prăbușirea structurii. Pe interior este căptușită cu o foaie subțire de oțel special, care este concepută pentru a servi protectie suplimentara de izolare și, în caz de accident, nu eliberați conținutul reactorului în afara zonei de izolare.

Acest design al centralei nucleare îi permite să reziste unui accident de avion cu o greutate de până la 200 de tone, unui cutremur cu magnitudinea 8, unei tornade și unui tsunami.

Prima carcasă sub presiune a fost construită la centrala nucleară americană Connecticut Yankee în 1968.

Înălțimea totală a zonei de izolare este de 50-60 de metri.

În ce constă un reactor nuclear?

Pentru a înțelege principiul de funcționare al unui reactor nuclear și, prin urmare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare, trebuie să înțelegeți componentele reactorului.

• Zona activă. Aceasta este zona în care sunt amplasate combustibilul nuclear (generatorul de combustibil) și moderatorul. Atomii de combustibil (cel mai adesea uraniul este combustibilul) suferă o reacție de fisiune în lanț. Moderatorul este conceput pentru a controla procesul de fisiune și permite reacția necesară în ceea ce privește viteza și puterea.
• Reflector de neutroni. Un reflector înconjoară miezul. Este alcătuit din același material ca și moderatorul. În esență, aceasta este o cutie, al cărei scop principal este de a împiedica neutronii să părăsească nucleul și să intre în mediu.
• Lichidul de răcire. Lichidul de răcire trebuie să absoarbă căldura care este eliberată în timpul fisiunii atomilor de combustibil și să o transfere altor substanțe. Lichidul de răcire determină în mare măsură modul în care este proiectată o centrală nucleară. Cel mai popular lichid de răcire astăzi este apa.
  Sistem de control al reactorului. Senzori și mecanisme care alimentează un reactor al unei centrale nucleare.

Combustibil pentru centrale nucleare

Pe ce funcționează o centrală nucleară? Combustibilul pentru centralele nucleare este elemente chimice cu proprietăți radioactive. La toate centralele nucleare, acest element este uraniul.

Proiectarea stațiilor implică faptul că centralele nucleare funcționează cu combustibil compozit complex, și nu pe pur element chimic. Și pentru a extrage combustibilul uraniu din uraniul natural, care este încărcat într-un reactor nuclear, este necesar să se efectueze multe manipulări.

Uraniu îmbogățit

Uraniul este format din doi izotopi, adică conține nuclee cu mase diferite. Au fost denumiți după numărul de protoni și neutroni izotop -235 și izotop-238. Cercetătorii secolului al XX-lea au început să extragă uraniu 235 din minereu, deoarece... era mai ușor să se descompună și să se transforme. S-a dovedit că un astfel de uraniu în natură este de numai 0,7% (procentul rămas merge la izotopul 238).

Ce să faci în acest caz? Au decis să îmbogățească uraniul. Îmbogățirea uraniului este un proces în care o mulțime de izotopi 235x necesari rămân în el și puțini izotopi 238x inutili. Sarcina îmbogățitorilor de uraniu este de a transforma 0,7% în aproape 100% uraniu-235.

Uraniul poate fi îmbogățit folosind două tehnologii: difuzie de gaz sau centrifugare cu gaz. Pentru a le folosi, uraniul extras din minereu este transformat în stare gazoasă. Este îmbogățit sub formă de gaz.

Pulbere de uraniu

Gazul de uraniu îmbogățit este transformat într-o stare solidă - dioxid de uraniu. Acest uraniu solid pur 235 apare ca cristale albe mari, care sunt ulterior zdrobite în pulbere de uraniu.

Tablete de uraniu

Tabletele de uraniu sunt discuri metalice solide, lungi de câțiva centimetri. Pentru a forma astfel de tablete din pulbere de uraniu, se amestecă cu o substanță - un plastifiant, îmbunătățește calitatea presării tabletelor.

Puturile presate sunt coapte la o temperatură de 1200 de grade Celsius mai mult de o zi pentru a conferi tabletelor o rezistență deosebită și rezistență la temperaturi ridicate. Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde direct de cât de bine este comprimat și copt combustibilul cu uraniu.

Tabletele sunt coapte în cutii de molibden, deoarece doar acest metal este capabil să nu se topească la temperaturi „infernale” de peste o mie și jumătate de grade. După aceasta, combustibilul cu uraniu pentru centralele nucleare este considerat gata.

Ce sunt TTEL și FA?

Miezul reactorului arată ca un disc uriaș sau o țeavă cu găuri în pereți (în funcție de tipul de reactor), de 5 ori mai mare corpul uman. Aceste găuri conțin combustibil de uraniu, ai cărui atomi efectuează reacția dorită.

Este imposibil să arunci combustibil în reactor, ei bine, dacă nu vrei să provoci o explozie a întregii stații și un accident cu consecințe pentru câteva state din apropiere. Prin urmare, combustibilul cu uraniu este plasat în bare de combustibil și apoi colectat în ansambluri de combustibil. Ce înseamnă aceste abrevieri?

• TVEL – element de combustibil (a nu se confunda cu același nume firma ruseasca, care le produce). Este în esență un tub de zirconiu subțire și lung, fabricat din aliaje de zirconiu în care sunt plasate tablete de uraniu. În barele de combustibil, atomii de uraniu încep să interacționeze între ei, eliberând căldură în timpul reacției.

Zirconiul a fost ales ca material pentru producerea barelor de combustibil datorită proprietăților sale refractare și anticorozive.

Tipul de bare de combustibil depinde de tipul și structura reactorului. De regulă, structura și scopul tijelor de combustibil nu se modifică, lungimea și lățimea tubului pot fi diferite.

Mașina încarcă mai mult de 200 de pelete de uraniu într-un tub de zirconiu. În total, aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan în reactor.
FA – ansamblu combustibil. Lucrătorii CNE numesc pachete de combustibil.

În esență, acestea sunt mai multe bare de combustibil fixate împreună. FA este combustibil nuclear finit, cu ce funcționează o centrală nucleară. Ansamblurile de combustibil sunt încărcate în reactorul nuclear. Într-un reactor sunt plasate aproximativ 150 – 400 de ansambluri de combustibil.
În funcție de reactorul în care vor funcționa ansamblurile combustibile, acestea pot fi forme diferite. Uneori pachetele sunt pliate într-o formă cubică, alteori într-o formă cilindrice, alteori într-o formă hexagonală.

Un ansamblu de combustibil pe 4 ani de funcționare produce aceeași cantitate de energie ca atunci când ard 670 de mașini de cărbune, 730 de rezervoare cu gaz natural sau 900 de rezervoare încărcate cu petrol.
Astăzi, ansamblurile de combustibil sunt produse în principal în fabrici din Rusia, Franța, SUA și Japonia.

Pentru a livra combustibil pentru centralele nucleare în alte țări, ansamblurile de combustibil sunt sigilate în lung și lat tevi metalice, aerul este pompat din conducte și livrat de mașini speciale la bordul avioanelor de marfă.

Combustibilul nuclear pentru centralele nucleare cântărește prohibitiv, pentru că... uraniul este unul dintre cele mai grele metale de pe planetă. Lui greutate specifică De 2,5 ori mai mult decât oțelul.

Centrală nucleară: principiu de funcționare

Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Principiul de funcționare al centralelor nucleare se bazează pe o reacție în lanț de fisiune a atomilor unei substanțe radioactive - uraniu. Această reacție are loc în miezul unui reactor nuclear.

IMPORTANT DE ȘTIUT:

Fără a intra în complexitățile fizicii nucleare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare arată astfel:
După pornirea unui reactor nuclear, barele de absorbție sunt îndepărtate din barele de combustibil, care împiedică reacția uraniului.

Odată ce tijele sunt îndepărtate, neutronii de uraniu încep să interacționeze între ei.

Când neutronii se ciocnesc, are loc o mini-explozie la nivel atomic, se eliberează energie și se nasc noi neutroni, începe să aibă loc o reacție în lanț. Acest proces generează căldură.

Căldura este transferată la lichidul de răcire. În funcție de tipul de lichid de răcire, acesta se transformă în abur sau gaz, care rotește turbina.

Turbina antrenează un generator electric. El este cel care generează efectiv curentul electric.

Dacă nu monitorizați procesul, neutronii de uraniu se pot ciocni între ei până când explodează reactorul și distrug întreaga centrală nucleară în bucăți. Procesul este controlat de senzori de calculator. Ele detectează o creștere a temperaturii sau schimbarea presiunii în reactor și pot opri automat reacțiile.

Prin ce diferă principiul de funcționare al centralelor nucleare de centralele termice (centrale termice)?

Există diferențe în muncă doar în primele etape. Într-o centrală nucleară, lichidul de răcire primește căldură din fisiunea atomilor de combustibil de uraniu într-o centrală termică, lichidul de răcire primește căldură din arderea combustibilului organic (cărbune, gaz sau petrol). După ce fie atomii de uraniu, fie gazul și cărbunele au eliberat căldură, schemele de funcționare ale centralelor nucleare și ale centralelor termice sunt aceleași.

Tipuri de reactoare nucleare

Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde exact de modul în care funcționează reactorul său nuclear. Astăzi există două tipuri principale de reactoare, care sunt clasificate în funcție de spectrul neuronilor:
Un reactor cu neutroni lent, numit și reactor termic.

Pentru funcționarea sa se folosește uraniul 235, care trece prin etapele de îmbogățire, creare de pelete de uraniu etc. Astăzi, marea majoritate a reactoarelor folosesc neutroni lenți.
Reactor rapid cu neutroni.

Aceste reactoare sunt viitorul, pentru că... Ei lucrează pe uraniu-238, care este un ban pe duzină în natură și nu este nevoie să îmbogățiți acest element. Singurul dezavantaj al unor astfel de reactoare este costurile foarte mari de proiectare, construcție și pornire. Astăzi, reactoarele cu neutroni rapidi funcționează numai în Rusia.

Lichidul de răcire din reactoarele cu neutroni rapidi este mercur, gaz, sodiu sau plumb.

Reactoarele cu neutroni lenți, pe care toate centralele nucleare din lume le folosesc astăzi, vin și în mai multe tipuri.

Organizația AIEA (Agenția Internațională pentru Energie Atomică) și-a creat propria clasificare, care este cel mai des folosită în industria mondială a energiei nucleare. Deoarece principiul de funcționare al unei centrale nucleare depinde în mare măsură de alegerea lichidului de răcire și a moderatorului, AIEA și-a bazat clasificarea pe aceste diferențe.

Din punct de vedere chimic, oxidul de deuteriu este un moderator și lichid de răcire ideal, deoarece atomii săi interacționează cel mai eficient cu neutronii uraniului în comparație cu alte substanțe. Pur și simplu, apa grea își îndeplinește sarcina cu pierderi minime și rezultate maxime. Cu toate acestea, producția sa costă bani, în timp ce apa obișnuită „ușoară” și familiară este mult mai ușor de utilizat.

Câteva fapte despre reactoarele nucleare...

Este interesant că durează cel puțin 3 ani pentru a construi un reactor al unei centrale nucleare!
Pentru a construi un reactor aveți nevoie de echipamente care să funcționeze curent electric la 210 kilo Amperi, care este de un milion de ori mai mare decât curentul care poate ucide o persoană.

O carcasă (element structural) al unui reactor nuclear cântărește 150 de tone. Există 6 astfel de elemente într-un reactor.

Reactor cu apă sub presiune

Am aflat deja cum funcționează o centrală nucleară în general, pentru a pune totul în perspectivă, să vedem cum funcționează cel mai popular reactor nuclear cu apă sub presiune.
Astăzi, reactoarele cu apă presurizată de generația 3+ sunt utilizate în întreaga lume. Sunt considerate cele mai fiabile și sigure.

Toate reactoarele cu apă sub presiune din lume, de-a lungul tuturor anilor de funcționare, au acumulat deja peste 1000 de ani de funcționare fără probleme și nu au dat niciodată abateri serioase.

Structura centralelor nucleare care utilizează reactoare cu apă presurizată implică faptul că apa distilată încălzită la 320 de grade circulă între barele de combustibil. Pentru a preveni intrarea în stare de vapori, este ținut sub presiune de 160 de atmosfere. Schema centralei nucleare o numește apă din circuitul primar.

Apa încălzită intră în generatorul de abur și își renunță căldura apei din circuitul secundar, după care se „întoarce” din nou în reactor. În exterior, se pare că tuburile de apă ale primului circuit sunt în contact cu alte tuburi - apa din cel de-al doilea circuit, transferă căldură unul altuia, dar apele nu intră în contact. Tuburile sunt în contact.

Astfel, este exclusă posibilitatea ca radiația să pătrundă în apa circuitului secundar, care va participa în continuare la procesul de generare a energiei electrice.

Siguranța în exploatare a CNE

După ce am învățat principiul funcționării centralelor nucleare, trebuie să înțelegem cum funcționează siguranța. Construirea unei centrale nucleare necesită astăzi atenție sporită la regulile de siguranță.
Costurile pentru siguranța CNE reprezintă aproximativ 40% din costul total al centralei în sine.

Proiectarea centralei nucleare include 4 bariere fizice care împiedică eliberarea de substanțe radioactive. Ce ar trebui să facă aceste bariere? Să te poţi opri la momentul potrivit reacție nucleară, asigură îndepărtarea constantă a căldurii din miez și din reactor însuși și împiedică eliberarea de radionuclizi în afara rezervorului (zona ermetică).

• Prima barieră este rezistența peletelor de uraniu. Este important ca acestea să nu fie distruse de temperaturile ridicate dintr-un reactor nuclear. O mare parte din modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care peletele de uraniu sunt „coapte” în timpul etapei inițiale de fabricație. Dacă peletele de combustibil de uraniu nu sunt coapte corect, reacțiile atomilor de uraniu din reactor vor fi imprevizibile.
• A doua barieră este etanșeitatea barelor de combustibil. Tuburile de zirconiu trebuie să fie etanșate, dacă sigiliul este rupt, atunci în cel mai bun caz reactorul va fi deteriorat și lucrul se va opri, în cel mai rău caz, totul va zbura în aer.
• A treia barieră este un vas reactor din oțel durabil a, (același turn mare - zonă ermetică) care „deține” toate procesele radioactive. Dacă carcasa este deteriorată, radiațiile vor scăpa în atmosferă.
• A patra barieră sunt tijele de protecție în caz de urgență. Tijele cu moderatori sunt suspendate deasupra miezului de magneți, care pot absorbi toți neutronii în 2 secunde și pot opri reacția în lanț.

Dacă, în ciuda proiectării unei centrale nucleare cu multe grade de protecție, nu este posibilă răcirea miezului reactorului la momentul potrivit, iar temperatura combustibilului crește la 2600 de grade, atunci intră în joc ultima speranță a sistemului de siguranță. - așa-numita capcană de topire.

Faptul este că la această temperatură fundul vasului reactorului se va topi și toate rămășițele de combustibil nuclear și structurile topite vor curge într-o „sticlă” specială suspendată deasupra miezului reactorului.

Capcana de topire este refrigerată și ignifugă. Este umplut cu așa-numitul „material de sacrificiu”, care oprește treptat reacția în lanț de fisiune.

Astfel, proiectarea centralei nucleare presupune mai multe grade de protecție, care elimină aproape complet orice posibilitate de accident.