Ядрен реактор

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Активна зона на малък ядрен реактор, използван за изследвания

Ядреният реактор е устройство, в което се задействат, контролират и поддържат ядрени верижни реакции (за разлика от ядрената бомба, където подобни реакции се предизвикват за част от секундата и са изцяло неконтролирани). Ядрените реактори се използват за много цели, най-значимата, от които е произвеждането на електричество. Изследователските реактори се изполват за произвеждане на радиоизотопи и за лъчеви експерименти със свободни неутрони.

В момента всички промишлени ядрени реактори са базирани на делене на ядрата. Мненията за безопасността им са противоречиви: смятат се за проблематични, заради рискове, свързани с безопасността и здравето. Обратното, други смятат произвеждането на ток,чрез ядрени реактори за безопасен и екологично- чист метод, в сравнение с другите разработени досега. Термоядреният синтез е технология, базирана на съединяване на леки ядра, вместо на делене. Ядрен синтез се наблюдава при не контролирана реакция във Водородната бомба, а контролирана главно при изследователски реактори тип токамак.

Съществуват други устройства, в които се използват контролирани ядрени реакции – радиоизотопни термоелектрически генератори и ядрени батерии, които произвеждат топлина и енергия като използват пасивно радиационно разлагане.

История[редактиране | edit source]

Въпреки че човечеството е “опитомило” ядрените сили едва наскоро, ядрени реакции са се случвали постоянно от само себе си. 15 природни реактора са били намерени досега в три отделни рудни депозита в мината Окло в Габон, Западна Африка. Открити първо от френския физик Франсис Перин, те са познати като Фосилните реактори в Окло. Тези реактори са работили преди 2 милиарда години в продължение на няколкостотин хиляди години със средна мощност за този период около 100 kW.[1] [2] Също така звездите произвеждат светлинно, топлинно и други излъчвания чрез термоядрен синтез. Концепцията на природните ядрени реактори е била формулирана за пръв път през 1956 година от Пол Курода от Канзаския университет. Енрико Ферми и Лео Шилард от чикагския университет са първите, създали ядрен реактор и демонстрирали контролирана ядрена реакция на 2 декември 1942. През 1955 споделят патент № 2,708,856 за ядрения реактор.

Първите ядрени реактори са използвани за да произвеждат плутоний за ядрени оръжия. Други ядрени реактори са били използвани във флота за задвижване на подводници и самолетоносачи.

В средата на 50-те както Съветския съюз, така и западните държави разширяват ядрените си изследвания, за да открият мирна употреба на атома. Все пак, както военните, така и повечето от мирните изследвания били пазени в тайна. На 20 декември 1951 г. е произведено за първи път електричество чрез ядрен реактор в ЕБР-1 близо до Арко, Айдахо. На 26 юни 1954 г. в 5:30 сутринта, първата в света ядрена електроцентрала е започнала работа в Обниниск, област Калуга в СССР. Мощността й̀ от 5MW, е достатъчна да захрани 2000 домакинства. Първата ядрена електроцентрала с масови функции – Калдер Хол, била пусната в експлоатация на 17 октомври 1956 г. Друг ранен реактор бил реакторът Шипингпорт в Пенсилвания (1957 г.). Още преди инцидента на Тримилния остров (Три майл айлънд) през 1979 г., поръчките за нови реактори в САЩ били прекратени по икономически причини, главно поради удълженото време за построяване. От 1978 насам не е поръчвано построяването на нови реактори, макар това да може да се промени до 2010.

За разлика от инцидента през 1979 г, инцидентът в Чернобил през 1986г не увеличава рестрикциите на западните реактори. Това е, защото причината е несигурната конструкция на чернобилските реактори. Този инцидент рефлектира върху политиката на държавите в Европа относно ядрените реактори. През 1987 г. в Италия се провежда референдум, който довежда до затварянето на 4-те им ядрени централи.

През 1992 атомна централа в САЩ бива ударена директно от урагана Андрю, нанасяйки щети за над 90млн долара. Ураганът засяга главно воден резервоар и един от комините, но разпространение на радиация няма.

Първата организация, разработила използваем реактор - Американският флот, е единствената организация с чисто от инциденти досие. Това е може би заради стриктните изисквания на адмирал Химан Риковър, който е водеща сила във въвеждането на ядреното задвижване на морски съдове. Американският флот е използвал ядрените реактори повече от всяка друга организация, с изключение на Съветския флот, без да има известни големи инциденти. Американски подводници – УСС Скорпион и Вършач са потънали, макар причните за това да не са в техните ядрени реактори и местоположението им е известно, така че опасността от радиационно замърсяване се счита за ниска.

Атомната енергия в производството на електричество[редактиране | edit source]

Атомната енергия от реакторите обикновено се използва за производство на електрическа енергия. Това обикновено се постига чрез стандартен метод, който включва използването на топлината от ядрения реактор за задвижването на парни турбини. Атомната енергия е привлекателна заради относително малките количества гориво, които се използват за производството на огромни количества електричество с почти никакво отделяне на въглероден диоксид.

Атомната енергетика е спорна, защото произвежда радиоактивни отпадъци. Инцидентите с тях, макар и вероятността да се случат е минимална, могат да доведат до катастрофални последици, като глобално замърсяване с радиация. Модерните реактори са проектирани, така че да използват обеднени ядрени горива и ядрена експлозия е практически невъзможна.

Бъдещето на индустрията[редактиране | edit source]

Много държави либерализират енергийния си пазар и така редица рискове свързани със строежа на АЕЦ вече се носят от инвеститорите, а не от крайните потребители, както е било до момента при регулиран и (държавно) монополен енергиен пазар. Рискове като оскъпяване на проекта, промяна на цената на горивото, неизпълнение на сроковете за строеж и т.н., както и рискът от появяване на по-конкурентен енергиен източник, досега бяха прехвърляни изцяло върху потребителите. При либерализирания пазар на енергия това вече е невъзможно, което изцяло променя икономическата обосновка на атомната електроцентрала. Затова и огромна част от планираните и строящите се АЕЦи в момента се извършва в държави с изцяло регулиран енергиен пазар с държавен енергиен монопол като Русия и Китай[3]. Все пак има и демократични страни, които активно продължават развитието на ядрената си енергетика, напр. Франция и Финландия.

Провеждането на демократични избори също носи значителен риск пред инвеститорите в ядрени реактори, защото по време на дългия строеж на АЕЦ протичат няколко изборни цикъла, след които държавната подкрепа за строеж на АЕЦ може да отслабне. Типичен пример за това е България и АЕЦ „Белене“.

Този риск много ясно проличава след аварията във АЕЦ"Фукушима I", която предизвика съществени промени в ядрените програми на редица държави след обширен обществен натиск. [4]

Германия затвори седем реактора непосредствено след аварията[5] и прие план за окончателно спиране на всички реактори до 2022 г.[6] Япония прие план за спиране на всички АЕЦи до 2040 [7], като този план може да бъде променен след изборите на 16.12.2012 г.Швейцария и Испания, както и Италия след проведен референдум [8], забраняват строежа на нови реактори.[9] Мексико се отказва от планираните десет АЕЦа, като ги заменя с газови ТЕЦ. [10]

Допълнителните изисквания за сигурност след аварията във Фукушима също значително оскъпяват новите атомни централи. За да построи нови ядрени реактори във Великобритания EDF за поискали гарантирана изкупна цена от поне 90 паунда за мегават час [11][12], което е два пъти повече от текущите цени на тока на борсата.

Преди катастрофата във Фукушима във Швеция тече процес на цялостна промяна на гласуваната на национален референдум през 80те години политика за прекратяване дейността на атомните си централи и се планира подновяване на съществуващите реактори [13][14]. След аварията обществената подкрепа за ядрената енергетика се стопява до 27% срещу 64% против[15], което може да забави или спре напълно тези планове.

Въпреки това много страни остават активни в разработването на ядрени реактори. Япония, Китай и Индия разработват бързи и термални реактори, Южна Корея и САЩ – само термални, а Южна Африка и Китай разработват версии на реакторите с лещи.

Устройство и принцип на работа[редактиране | edit source]

Превръщането на веществото е съпроводено с отделяне на свободна енергия само тогава, когато това вещество има запас от енергия. Това означава, че микрочастиците на веществото се намират в състояние на покой, с енергия по-голяма, отколкото в друго възможно състояние, в което е възможно да се извърши преход. Самопроизволният преход винаги е възпрепятстван от енергетична бариера, за чието преодоляване микрочастицата трябва да получи отвън известно количество енергия – енергия на възбуждането. Енергетичната реакция се състои в това, че в последвалото след възбуждането превръщане се отделя по-голяма енергия, отколкото е нужна за възбуждане на процеса. Съществуват 2 начина за преодоляване на енергетичната бариера: или за сметка на кинетична енергия на сблъскващите се частици, или за сметка на енергията на свързване на присъединяващата се частица.

Ако имаме предвид микроскопични мащаби на отделяне на енергия, то за възбуждане на реакцията, е необходимо кинетична енергия да имат всички частици на веществото. Това е достижимо само при повишаване на температурата на околната среда до стойности, при които енергията на топлинното движение се приближава до енергетичния праг, ограничават течението на процеса. В случай на молекулярни превръщания, т.е. при химични реакции, това повишение е от порядъка на стотици келвини, а в случай на ядрени реакции то е минимум 107 келвина, заради много голямата височина на кулоновите бариери на сблъскващите се ядра. Топлинното възбуждане на ядрени реакции на практика се осъществява само при синтез на най-леки ядра, при които кулоновите бариери са минимални (термоядрен синтез). Възбуждането на присъединяващи се частици не изисква голяма кинетична енергия и следователно не зависи от температурата на средата, тъй като се получава за сметка на неизползваните връзки, присъщи на тези частици. И ако имаме предвид не отделна реакция, а получаването на енергия в макроскопични мащаби, то това е възможно само при възникване на верижна реакция. Тя възниква когато възбуждащите я частици се появяват като продукт на екзоенергетична реакция.

Схематично устройство на хетерогенен реактор с топлинни неутрони.

  1. Управляващи графити
  2. Биологична защита
  3. Топлинна защита
  4. Забавящо устройство
  5. Ядрено гориво
  6. Преносител на топлина

Конструкция[редактиране | edit source]

Всеки ядрен реактор се състои от следните части : - активна зона с ядрено гориво и забавящо устройство
- отражател на неутроните, обкръжаващ активната зона
- преносител на топлина(работно тяло)
- система за регулиране на верижната реакция, включваща аварийна защита(Система за управление и защита - СУЗ)
- радиационна(биологична) защита
- система за дистанционно управление
Основна характеристика на всеки реактор, е неговата изходна мощност. Мощност от 1 MW съответства на верижна реакция, при която за 1 секунда протичат 3х10^16 деления.

Физически принципи на работа на реактора[редактиране | edit source]

Текущото състояние на ядрения реактор може да бъде характеризирано чрез коефициента на размножение на неутрони (k) или реактивността, които са свързани с формулата р=(k-1)/k. За тези величини са характерни съответните стойности :

  • k>1 – верижната реакция нараства с времето, реакторът се намира в надкритично състояние и р>0.
  • k<1 – реакторът затихва, той е под критичен р<0
  • k=1, р=0 – броят ядрени деления е постоянен, реакторът се намира в стабилно критично състояние.

Условието за критичност на ядрения реактор : k =k0w=1, където пси е частта от образуващите се в реактора неутрони, които се поглъщат в активната зона на реактора с цел избягване излизането на електрона от обема на реактора, а пък k0 е коефициент на размножаване на неутроните в активната зона на реактора. Приравняването на коефициента на размножаване на единица, се постига чрез балансиране на размножаването на неутроните с техните загуби. Причините за загуби са 2 : неутрони, които не се делят и неутрони, излезли извън зоната за размножение. Очевидно, че при k<k0 отсечката в реален обем е по-голяма от отсечката в безкраен обем; за това, ако във веществото с даден състав k0<1, то верижна самоподдържаща се реакция е невъзможна както в безкраен, така и в краен обем.

Обемите на съвременните енергетични реактори достигат стотици кубични метри и се определят предимно не от условията за критичност, а от възможността на топлоотвода.

Критичният обем на ядрения реактор е обемът на активната му зона в критично състояние. Критичната маса - масата на делящото се вещество в реактора, намиращо се в критично състояние. Най-малка критична маса имат реакторите, в които гориво са водните разтвори на соли, на чисти делящи се изотопи, с водно отразяване на неутроните. За уран-235 тази маса е 0,8 kg, а за плутоний-239 – 0,5 kg. Теоретично, най-малка критична маса има калифорний-251, за когото тя е само 10 г. С цел намаляване на отечката на неутрони, активната зона е конструирана със сферична или близка до сферичната форма като цилиндър или куб, тъй като тези тела имат най-малко отношение на пълна повърхнина към обем. Ролята на бързите неутрони, независимо от формата на активната зона е достатъчно голяма, което е направило възможно създаването на първите графитови реактори с естествен уран. За начало на верижните реакции обикновено са достатъчни неутрони, родени при спонтанно деление при ядрата на урана. Възможно е също използването на външен източник на неутрони за стартиране на реактора, например смеси от Ra, Be, Cf или други вещества.

Материали[редактиране | edit source]

Материалите на реакторите трябва да работят при висока температура и при полета от неутрони, гама лъчи и остатъци от делението. Затова, за реакторостроенето са нужни материали с повишени изисквания. При избора им се отчита тяхната радиационна устойчивост, химична инертност, сечение на поглълщането и други свойства. Обвивките на реакторите се правят от материали с малко сечение на поглъщане, а за поглъщащи пръти се използват материали с голямо сечение на поглъщане. Това значително съкращава количеството пръти, нужно за управление на реактора.

Бързите неутрони, гама-лъчите и остатъците от делението повреждат структурата на веществото. Например, в твърдо вещество, бързите неутрони избиват атоми от кристалната решетка или ги преместват от местата им. В следствие на това се влошават пластичните свойства и топлопроводността на материалите. Сложните молекули под действие на излъчване се разпадат на по-прости молекули или на съставящите ги атоми. Например, водата се разлага на водород и кислород; това явление е известно под името радиолиза на водата.

Радиационната неустойчивост на материалите се отразява по-слабо при високи температури. Подвижността на атомите става толкова голяма, че вероятността избитите от кристалната решетка атоми да се върнат на своето място или рекомбинацията на водород и кислород във водородна молекула, значимо се увеличава. Реакторните материали контактуват помежду си. Естествено, че контактуващите материали трябва да бъдат химически инертни (съвместими).

Като пример за несъвместимост могат да служат уран и гореща вода, които встъпват в химична реакция. При много материали якостните свойства рязко се влошават с увеличаване на температурата. В енергетичните реактори конструкционните материали работят при високи температури. Това ограничава избора на тези материали, особено за тези детайли на реактора, които трябва да издържат и високо налягане.

Общо взето, реакторите се правят от неръждаема топлоустойчива стомана.

Безопасност[редактиране | edit source]

Класификация[редактиране | edit source]

По характера на използването си реакторите се делят на :

  • експериментални, предназначени за изучаване на физични величини, чието значение е необходимо за проектиране и експлоатация на ядрени реактори; Мощността им не превишава няколко KW.
  • изследователски, в които потоците неутрони и гама-кванти, създавани в активната зона, се използват за изследвания в областта на ядрената физика, физиката на твърдото тяло, радиационната химия, биологията, за изследвания на материали, предназначени за работа в интензивни неутронни потоци, за производство на изотопи. Мощността им не превишава 100MW.
  • изотопни (оръжейни, промишлени) реактори се използват за изработка на изотопи, използвани в ядрените оръжия, например Pu239.
  • енергетични реактори – предназначени за получаване на електрическа и топлинна енергия, използват се в енергетиката за превръщане на морската вода в сладка, за силови установки на кораби и т.н. Мощността на съвременните реактори достига 3,5GW.

По спектъра на неутроните реакторите се делят на :

  • с топлинни неутрони
  • с бързи неутрони - бридери, или реактори - размножители
  • с междинни неутрони

Според разположението на горивото :

  • Хетерогенни реактори, в които горивото се намира в активната зона, дискретно във вид на блокове, между които е разположена забавящата система.
  • Хомогенни реактори, в които горивото и забавящата система представляват еднородна смес (хомогенна система).

Блоковете от ядрено гориво в хетерогенния реактор се наричат топлоотделящи елементи и се намират в активната зона във възлите на правилна решетка.

  • Според горивото си реакторите работят с:
  • естествен уран
  • слабо обогатен уран
  • чист, делящ се изотоп

Химическият състав на горивото може да бъде метален уран, уранов диоксид и уранов карбид.

Според преносителя на топлина реакторите биват:

  • водо-водни
  • графитно-газови
  • с тежка вода
  • с органичен топлоносител
  • с топлоносител от течен метал
  • с топлоносител от разтопени соли

Според конструкциите

  • корпусни
  • канални

Според генерация на пара

  • външен реактор
  • кипящ реактор

Източници[редактиране | edit source]

  1. Meshik, A. P.. The Workings of an Ancient Nuclear Reactor. // Scientific American. November 2005.
  2. Gauthier-Lafaye, F. и др. Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system. // Geochimica et Cosmochimica Acta 60 (25). 1996. DOI:10.1016/S0016-7037(96)00245-1. с. 4831–4852.
  3. http://www.world-nuclear.org/info/inf17.html
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/International_reaction_to_the_Fukushima_Daiichi_nuclear_disaster#Re-evaluation_of_existing_nuclear_energy_programs
  5. http://www.independent.co.uk/news/world/europe/germany-closes-seven-of-its-oldest-reactors-2242991.html
  6. http://www.bbc.co.uk/news/world-europe-13592208
  7. http://www.bbc.co.uk/news/world-asia-19645305
  8. http://referendum.interno.it/referendum/refe110612/RFT0003.htm
  9. http://www.thedailybeast.com/newsweek/2011/11/27/post-fukushima-nuclear-power-changes-latitudes.html
  10. http://www.bloomberg.com/news/2011-11-02/mexico-scraps-plans-to-build-as-many-as-10-nuclear-plants-focus-on-gas.html
  11. http://www.bloomberg.com/news/2012-07-12/u-k-seen-doubling-power-price-to-guarantee-new-reactor-energy.html
  12. http://www.reuters.com/article/2012/05/08/nuclear-britain-edf-idAFL5E8G8FQ620120508?sp=true
  13. http://www.guardian.co.uk/environment/2009/feb/05/sweden-nuclear-power
  14. http://www.businessgreen.com/business-green/news/2235869/sweden-dumps-nuclear-ban-part
  15. Swedes oppose new nuclear power: poll, The Local, 19 март 2011

Вижте също[редактиране | edit source]

Външни препратки[редактиране | edit source]