يعتمد الجهاز ومبدأ التشغيل على التهيئة والتحكم في تفاعل نووي مستدام ذاتيًا. يتم استخدامه كأداة بحث لإنتاج النظائر المشعة وكمصدر للطاقة لمحطات الطاقة النووية.

مبدأ العمل (باختصار)

هنا ، يتم استخدام عملية تنقسم فيها النواة الثقيلة إلى جزأين أصغر. هذه الشظايا في حالة شديدة الإثارة وتصدر نيوترونات وجزيئات دون ذرية وفوتونات أخرى. يمكن للنيوترونات أن تسبب انشقاقات جديدة ، ونتيجة لذلك تنبعث المزيد من النيوترونات ، وهكذا. تسمى هذه السلسلة المستمرة من الانقسامات المستمرة بالتفاعل المتسلسل. في هذه الحالة ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، يكون إنتاجها هو الغرض من استخدام محطات الطاقة النووية.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي هو أنه يتم إطلاق حوالي 85 ٪ من طاقة الانشطار خلال فترة زمنية قصيرة جدًا بعد بدء التفاعل. ينتج الباقي عن طريق التحلل الإشعاعي لنواتج الانشطار بعد انبعاثها للنيوترونات. التحلل الإشعاعي هو العملية التي تصل بها الذرة إلى حالة أكثر استقرارًا. يستمر حتى بعد الانتهاء من التقسيم.

في القنبلة الذرية ، تزداد شدة التفاعل المتسلسل حتى يتم تقسيم معظم المواد. يحدث هذا بسرعة كبيرة ، مما ينتج عنه انفجارات شديدة القوة من سمات هذه القنابل. يعتمد الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي على الحفاظ على تفاعل متسلسل عند مستوى ثابت تقريبًا متحكم فيه. إنه مصمم بطريقة لا يمكن أن تنفجر مثل القنبلة الذرية.

رد الفعل المتسلسل والحرجية

فيزياء مفاعل الانشطار النووي هي أن التفاعل المتسلسل يتحدد باحتمالية الانشطار النووي بعد انبعاث النيوترونات. إذا انخفض عدد سكان هذا الأخير ، فإن معدل الانشطار سينخفض ​​في النهاية إلى الصفر. في هذه الحالة ، سيكون المفاعل في حالة دون حرجة. إذا تم الحفاظ على عدد النيوترونات عند مستوى ثابت ، فإن معدل الانشطار سيظل ثابتًا. سيكون المفاعل في حالة حرجة. وأخيرًا ، إذا نما عدد النيوترونات بمرور الوقت ، سيزداد معدل الانشطار والطاقة. ستصبح حالة النواة فوق حرجة.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي هو على النحو التالي. قبل إطلاقه ، كان عدد النيوترونات قريبًا من الصفر. يقوم المشغلون بعد ذلك بإزالة قضبان التحكم من القلب ، مما يؤدي إلى زيادة الانشطار النووي ، مما يضع المفاعل مؤقتًا في حالة فوق الحرجة. بعد الوصول إلى القدرة الاسمية ، يعيد المشغلون قضبان التحكم جزئيًا ، ويعدلون عدد النيوترونات. في المستقبل ، يتم الحفاظ على المفاعل في حالة حرجة. عندما يحتاج إلى التوقف ، يقوم المشغلون بإدخال القضبان بالكامل. هذا يمنع الانشطار ويجلب النواة إلى حالة دون حرجة.

أنواع المفاعلات

تعمل معظم المنشآت النووية في العالم على توليد الطاقة ، وتوليد الحرارة اللازمة لتدوير التوربينات التي تشغل مولدات الطاقة الكهربائية. هناك أيضًا العديد من مفاعلات الأبحاث ، وبعض الدول لديها غواصات تعمل بالطاقة النووية أو سفن سطحية.

محطات توليد الكهرباء

هناك عدة أنواع من المفاعلات من هذا النوع ، لكن تصميم الماء الخفيف وجد تطبيقًا واسعًا. في المقابل ، يمكنها استخدام الماء المضغوط أو الماء المغلي. في الحالة الأولى ، يتم تسخين السائل تحت ضغط مرتفع بواسطة حرارة القلب ويدخل إلى مولد البخار. هناك ، يتم نقل الحرارة من الدائرة الأولية إلى الدائرة الثانوية ، والتي تحتوي أيضًا على الماء. يعمل البخار المتولد في النهاية كسائل عامل في دورة التوربينات البخارية.

يعمل مفاعل الغليان على مبدأ دورة الطاقة المباشرة. الماء ، الذي يمر عبر المنطقة النشطة ، يغلي عند مستوى ضغط متوسط. يمر البخار المشبع عبر سلسلة من الفواصل والمجففات الموجودة في وعاء المفاعل ، مما يؤدي به إلى حالة التسخين المفرط. ثم يتم استخدام بخار الماء المحمص كسائل عامل لتشغيل التوربين.

تبريد الغاز بدرجة حرارة عالية

المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز (HTGR) هو مفاعل نووي يعتمد مبدأ تشغيله على استخدام خليط من الجرافيت وكريات الوقود المجهرية كوقود. يوجد تصميمان متنافسان:

• نظام "ملء" الألماني ، الذي يستخدم عناصر وقود كروية 60 مم ، وهي مزيج من الجرافيت والوقود في غلاف الجرافيت ؛
• نسخة أمريكية على شكل مناشير جرافيت سداسية الشكل تتشابك لتشكل منطقة نشطة.

في كلتا الحالتين ، يتكون المبرد من الهيليوم عند ضغط حوالي 100 ضغط جوي. في النظام الألماني ، يمر الهيليوم عبر فجوات في طبقة عناصر الوقود الكروية ، وفي النظام الأمريكي ، من خلال ثقوب في مناشير الجرافيت الواقعة على طول محور المنطقة المركزية للمفاعل. يمكن أن يعمل كلا الخيارين في درجات حرارة عالية جدًا ، حيث يحتوي الجرافيت على درجة حرارة تسامي عالية للغاية ، في حين أن الهيليوم خامل كيميائيًا تمامًا. يمكن استخدام الهيليوم الساخن مباشرة كسائل عامل في التوربينات الغازية عند درجة حرارة عالية ، أو يمكن استخدام حرارتها لتوليد البخار في دورة المياه.

المعدن السائل ومبدأ العمل

حظيت المفاعلات النيوترونية السريعة المبردة بالصوديوم باهتمام كبير في الستينيات والسبعينيات. ثم بدا أن قدرتها على التكاثر في المستقبل القريب كانت ضرورية لإنتاج الوقود للصناعة النووية سريعة التطور. عندما اتضح في الثمانينيات أن هذا التوقع غير واقعي ، تلاشى الحماس. ومع ذلك ، فقد تم بناء عدد من المفاعلات من هذا النوع في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا وفرنسا وبريطانيا العظمى واليابان وألمانيا. يعمل معظمهم على ثاني أكسيد اليورانيوم أو خليطه مع ثاني أكسيد البلوتونيوم. ومع ذلك ، كان النجاح الأكبر في الولايات المتحدة هو استخدام الوقود المعدني.

كاندو

ركزت كندا جهودها على المفاعلات التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي. وهذا يلغي الحاجة إلى إثرائها للجوء إلى خدمات الدول الأخرى. كانت نتيجة هذه السياسة مفاعل الديوتيريوم واليورانيوم (كاندو). يتم التحكم والتبريد فيه بواسطة الماء الثقيل. إن الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي هو استخدام خزان بارد D 2 O عند الضغط الجوي. القلب مثقوب بأنابيب مصنوعة من سبيكة الزركونيوم بوقود اليورانيوم الطبيعي ، والتي من خلالها يبرد الماء الثقيل. يتم إنتاج الكهرباء عن طريق تحويل حرارة الانشطار في الماء الثقيل إلى سائل تبريد يتم تدويره عبر مولد البخار. يمر البخار في الدائرة الثانوية بعد ذلك عبر دورة توربينية تقليدية.

مرافق البحوث

بالنسبة للبحث العلمي ، غالبًا ما يتم استخدام مفاعل نووي ، ومبدأ تشغيله هو استخدام عناصر تبريد الماء ووقود اليورانيوم الرقائقي في شكل تجميعات. قادرة على العمل على نطاق واسع من مستويات الطاقة ، من بضعة كيلووات إلى مئات الميجاوات. نظرًا لأن توليد الطاقة ليس المهمة الرئيسية لمفاعلات البحث ، فهي تتميز بالطاقة الحرارية المتولدة والكثافة والطاقة الاسمية للنيوترونات في اللب. هذه المعلمات هي التي تساعد في تحديد قدرة مفاعل البحث على إجراء مسوحات محددة. عادةً ما تُستخدم الأنظمة منخفضة الطاقة في الجامعات للتدريس ، بينما تكون الطاقة العالية مطلوبة في مختبرات الأبحاث لاختبار المواد والأداء والأبحاث العامة.

المفاعل النووي البحثي الأكثر شيوعًا ، هيكل ومبدأ تشغيله على النحو التالي. تقع منطقتها النشطة في قاع بركة كبيرة عميقة من المياه. هذا يبسط مراقبة ووضع القنوات التي يمكن من خلالها توجيه الحزم النيوترونية. في مستويات الطاقة المنخفضة ، ليست هناك حاجة لنزيف سائل التبريد ، حيث يوفر الحمل الحراري الطبيعي لسائل التبريد تبديدًا كافيًا للحرارة للحفاظ على حالة تشغيل آمنة. يوجد المبادل الحراري عادة على السطح أو أعلى البركة حيث يتراكم الماء الساخن.

منشآت السفن

التطبيق الأصلي والرئيسي للمفاعلات النووية هو استخدامها في الغواصات. ميزتها الرئيسية هي أنها ، على عكس أنظمة احتراق الوقود الأحفوري ، لا تتطلب الهواء لتوليد الكهرباء. لذلك ، يمكن أن تظل الغواصة النووية مغمورة لفترات طويلة من الزمن ، في حين أن الغواصة التقليدية التي تعمل بالديزل والكهرباء يجب أن ترتفع بشكل دوري إلى السطح لبدء تشغيل محركاتها في الهواء. يعطي ميزة استراتيجية للسفن البحرية. بفضل ذلك ، ليست هناك حاجة للتزود بالوقود في الموانئ الأجنبية أو من الناقلات المعرضة للخطر بسهولة.

مبدأ تشغيل مفاعل نووي على غواصة مصنف. ومع ذلك ، فمن المعروف أنه في الولايات المتحدة يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب ، ويتم التباطؤ والتبريد بالماء الخفيف. تأثر تصميم المفاعل الأول للغواصة النووية USS Nautilus بشدة بمرافق البحث القوية. تتميز ميزاته الفريدة بهامش تفاعلي كبير للغاية ، مما يضمن فترة طويلة من التشغيل دون إعادة التزود بالوقود والقدرة على إعادة التشغيل بعد إيقاف التشغيل. يجب أن تكون محطة الطاقة في الغواصات هادئة جدًا لتجنب اكتشافها. لتلبية الاحتياجات المحددة لفئات مختلفة من الغواصات ، تم إنشاء نماذج مختلفة من محطات الطاقة.

تستخدم حاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية مفاعلًا نوويًا ، يُعتقد أن مبدأه مستعار من أكبر الغواصات. كما لم يتم نشر تفاصيل تصميمها.

بالإضافة إلى الولايات المتحدة ، تمتلك بريطانيا وفرنسا وروسيا والصين والهند غواصات نووية. في كل حالة ، لم يتم الكشف عن التصميم ، ولكن يُعتقد أن جميعها متشابهة جدًا - وهذا نتيجة لنفس المتطلبات لخصائصها التقنية. تمتلك روسيا أيضًا أسطولًا صغيرًا تم تجهيزه بنفس المفاعلات مثل الغواصات السوفيتية.

المنشآت الصناعية

لأغراض الإنتاج ، يتم استخدام مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله هو إنتاجية عالية مع انخفاض مستوى إنتاج الطاقة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن بقاء البلوتونيوم لفترة طويلة في القلب يؤدي إلى تراكم 240 Pu غير المرغوب فيه.

إنتاج التريتيوم

في الوقت الحاضر ، يعتبر التريتيوم (3 H أو T) هو المادة الرئيسية التي تنتجها هذه الأنظمة - شحنة البلوتونيوم 239 لها عمر نصف طويل يبلغ 24100 سنة ، لذلك فإن البلدان التي لديها ترسانات أسلحة نووية تستخدم هذا العنصر تميل إلى امتلاكها أكثر من اللازم. على عكس 239 Pu ، يبلغ نصف عمر التريتيوم حوالي 12 عامًا. وبالتالي ، من أجل الحفاظ على الإمدادات الضرورية ، يجب إنتاج هذا النظير المشع للهيدروجين بشكل مستمر. في الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، يقوم نهر سافانا بولاية ساوث كارولينا بتشغيل العديد من مفاعلات الماء الثقيل التي تنتج التريتيوم.

وحدات الطاقة العائمة

تم إنشاء مفاعلات نووية يمكنها توفير الكهرباء والتدفئة بالبخار للمناطق النائية المعزولة. في روسيا ، على سبيل المثال ، تم استخدام محطات الطاقة الصغيرة المصممة خصيصًا لخدمة مجتمعات القطب الشمالي. في الصين ، تزود محطة HTR-10 بقدرة 10 ميجاوات الحرارة والطاقة لمعهد الأبحاث حيث يوجد. يتم تطوير مفاعلات صغيرة يتم التحكم فيها ذات قدرات مماثلة في السويد وكندا. بين عامي 1960 و 1972 ، استخدم الجيش الأمريكي مفاعلات مائية مدمجة لتشغيل القواعد البعيدة في جرينلاند وأنتاركتيكا. تم استبدالها بمحطات الطاقة التي تعمل بالنفط.

استكشاف الفضاء

بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مفاعلات لتزويد الطاقة والحركة في الفضاء الخارجي. بين عامي 1967 و 1988 ، قام الاتحاد السوفيتي بتركيب منشآت نووية صغيرة على أقمار كوزموس لتزويد المعدات بالطاقة والقياس عن بعد ، لكن هذه السياسة أصبحت هدفاً للنقد. دخل واحد على الأقل من هذه الأقمار الصناعية إلى الغلاف الجوي للأرض ، مما أدى إلى تلوث إشعاعي للمناطق النائية في كندا. أطلقت الولايات المتحدة قمرًا صناعيًا واحدًا يعمل بالطاقة النووية في عام 1965. ومع ذلك ، يستمر تطوير المشاريع لاستخدامها في رحلات الفضاء السحيقة ، والاستكشاف المأهول للكواكب الأخرى ، أو على قاعدة قمرية دائمة. سيكون هذا بالضرورة مفاعلًا نوويًا مبردًا بالغاز أو بمعدن سائل ، وستوفر مبادئه الفيزيائية أعلى درجة حرارة ممكنة ضرورية لتقليل حجم المبرد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون مفاعل المركبة الفضائية مضغوطًا قدر الإمكان لتقليل كمية المواد المستخدمة في التدريع وتقليل الوزن أثناء الإطلاق ورحلات الفضاء. سيضمن تزويد الوقود تشغيل المفاعل طوال فترة الرحلة الفضائية.

العنصر الرئيسي والأخطر في محطات الطاقة النووية هو مفاعل نووي (ذري). مضى أكثر من نصف قرن على إطلاق أول مفاعل نووي "إنريكو فيرمي" على ملعب التنس بملعب كرة القدم السابق في شيكاغو بالولايات المتحدة الأمريكية عام 1942. خلال هذا الوقت ، في العديد من دول العالم ، تم تطوير وبناء عدد كبير من المفاعلات من مختلف الأنواع ، والتي تختلف في حجمها وقوتها (من أجزاء من واط إلى مئات الآلاف من الكيلوات). في روسيا ، تم تشغيل أول مفاعل نووي في عام 1946. بغض النظر عن ميزات التصميم ، يظل الرسم التخطيطي لجميع أنواع المفاعلات كما هو الحال في "المرجل" الذري الأول (المفاعل) ، كما كان يُطلق عليه سابقًا.

اعتمادًا على الغرض منها ، تنقسم المفاعلات إلى عدة أنواع. تهدف مفاعلات البحث إلى دراسة الأساليب الجديدة لتصميم المفاعلات واختبار بعض المخططات والعمليات التكنولوجية. المفاعلات المستخدمة لإنتاج الوقود النووي (على سبيل المثال ، البلوتونيوم 239) تسمى مفاعلات الإنتاج. تسمى المفاعلات المصممة لإنتاج الطاقة مفاعلات الطاقة. يتم تثبيت الأخير في محطات الطاقة والحرارة النووية.

المفاعل النووي (الذري) ليس فقط مصدرًا للطاقة ، ولكنه أيضًا "مصنع" للنظائر. في عملية الانشطار النووي لمادة مشعة ، تتراكم النظائر المشعة (نواتج الانشطار) في المفاعل ، ويستخدم الكثير منها على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتم وضع عناصر مستقرة في المفاعل ، تحت تأثير تدفقات النيوترونات القوية المتكونة هناك (نتيجة لما يسمى بالنشاط المستحث) ، يتم تحويلها إلى نظائر مشعة صناعيًا. في الوقت الحاضر ، وجدت النظائر المشعة صناعياً تطبيقات عملية واسعة النطاق. يتم استخدامها للتحكم في عمليات الإنتاج وشفافية المعادن ، ولإجراءات التشخيص الطبي ، ودراسة الحالة الهرمونية في أمراض الغدد الصماء ، وتشخيص أمراض الأورام ، والتعقيم الإشعاعي للضمادات ، والأدوية ، والإشعاع المسبق للمحاصيل ، إلخ.

لذا ، فإن المفاعلات النووية هي أجهزة تحدث فيها تفاعلات نووية - تحول عنصر كيميائي إلى عنصر آخر. تتطلب هذه التفاعلات وجود مادة انشطارية في المفاعل ، والتي أثناء تحللها تطلق جزيئات أولية قادرة على التسبب في تحلل النوى الأخرى. يمكن حاليًا استخدام نظائر اليورانيوم - اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 وكذلك البلوتونيوم 239 كمواد انشطارية. يحدث تفاعل متسلسل في مفاعل نووي. تتحلل نوى اليورانيوم أو البلوتونيوم ، بينما تتشكل 2-3 نوى من العناصر في منتصف الجدول الدوري ، ويتم إطلاق الطاقة ، وتنبعث كوانت جاما وتتكون 2-3 نيوترونات ، والتي بدورها يمكن أن تتفاعل مع ذرات أخرى وبعد أن تسبب في انشطارهم ، استمر في التفاعل المتسلسل. تعتبر النيوترونات ذات أهمية قصوى في هندسة الطاقة النووية كمبادرين للانشطار النووي. اعتمادًا على سرعة الجسيم الأولي ، يتم تمييز نوعين من النيوترونات: سريع وبطيء. تستخدم أنواع مختلفة من المفاعلات أنواعًا مختلفة من النيوترونات.

هناك مفاعلات نووية نيوترونات بطيئة (حرارية) ومفاعلات نيوترونية سريعة. في الأول ، يتم استخدام اليورانيوم 235 كوقود نووي ، وفي الثاني - اليورانيوم 238 (طبيعي) والبلوتونيوم 239.

تم تجهيز معظم محطات الطاقة النووية بمفاعلات نيوترونية حرارية. العناصر الثلاثة الأساسية لمفاعلات النيوترونات الحرارية هي الوقود ، والمهدئ ، والمبرد. كما مستخرج الحرارة يشيع استخدام نظائر اليورانيوم (الوقود النووي). يتم وضع الوقود في عناصر الوقود - قضبان الوقود. في قلب المفاعل ، حيث توجد عناصر الوقود ، يحدث تفاعل انشطار نوى اليورانيوم 235. أثناء التفاعل ، تتراكم نواتج الانشطار المشع في قضبان الوقود. مشرف مطلوب لإبطاء النيوترونات اللازمة لتفاعل تسلسلي أكثر كفاءة في اليورانيوم 235. يمكن أن تكون الوسيطات عبارة عن ماء أو جرافيت. المبرد اللازمة لنقل الطاقة الحرارية للانشطار النووي إلى التوربينات لتحويلها إلى كهرباء. وبالتالي ، فإن محطات الطاقة النووية في معظمها هي محطات طاقة حرارية. عادة ما يتم تسخين المبرد بالماء وضغطه.

لا تتطلب المفاعلات النيوترونية السريعة وسيطًا ، وتستخدم المعادن السائلة ، مثل الصوديوم السائل ، كمبرد. في الوقت الحاضر ، لا تُستخدم مفاعلات النيوترونات السريعة على نطاق واسع ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تعقيد التصميم ومشكلة الحصول على مواد مستقرة بدرجة كافية للأجزاء الهيكلية. يوجد مفاعل واحد فقط من هذا النوع في روسيا. ومع ذلك ، يُعتقد أن المفاعلات النيوترونية السريعة لها مستقبل عظيم.

وهكذا ، يوجد في الوقت الحالي 5 أنواع من المفاعلات النووية في العالم (4 أنواع على النيوترونات الحرارية و 1 على النيوترونات السريعة):

ü VVER - مفاعل طاقة الماء المضغوط ،

ü RMBC - مفاعل قناة عالي الطاقة ،

ü مفاعل الماء الثقيل ،

ü مفاعل بملء كروي ودائرة غاز ،

ü مفاعل نيوتروني سريع. ( ملحق ب التبويب. 2-ب"أنواع المفاعلات النووية")

تم تجهيز معظم محطات الطاقة النووية في بلدنا بمفاعلات VVER. مفاعل RMBC يعمل في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. نظرًا للهيكل المختلف للمناطق النشطة ، تختلف معلمات تشغيل هذه المفاعلات. VVER - مفاعل وعاء الضغط (يتم الحفاظ على الضغط بواسطة وعاء ضغط المفاعل) ، مفاعل قناة RMBC (يتم الحفاظ على الضغط بشكل مستقل في كل قناة). من أجل سلامة المفاعل ، تعتبر معلمة مثل معامل التفاعل مهمة - وهي قيمة توضح كيف ستؤثر التغييرات في معلمة أو أخرى في المفاعل على شدة التفاعل المتسلسل فيه. إذا كان هذا المعامل موجبًا ، فعند زيادة المعلمة التي يتم من خلالها إعطاء المعامل ، سيزداد التفاعل المتسلسل في المفاعل ويصبح غير قابل للسيطرة - سيتسارع المفاعل. أثناء تسارع المفاعل ، يتم إطلاق حرارة شديدة ، مما يؤدي إلى ذوبان بواعث الحرارة وتدمير وعاء المفاعل مع إطلاق مواد مشعة في البيئة.

في حالة وجود مواقف غير طبيعية في تشغيل المفاعل ، مصحوبة بتسارعه ، سيتوقف مفاعل VVER ، وسيستمر مفاعل RMBC في التسارع بكثافة متزايدة ، مما قد يؤدي إلى وقوع حادث مع إطلاق المنتجات المشعة. على طول هذا المسار ، تطورت الأحداث خلال الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. لذلك ، في مفاعل RMBC ، يكون دور أنظمة الحماية أكثر أهمية من أي مكان آخر ، والذي إما سيمنع تسارع المفاعل أو يبرده بشكل عاجل. تم تجهيز المفاعلات الحديثة من نوع RMBC بأنظمة فعالة بما فيه الكفاية من هذا النوع ، والتي تقضي عمليًا على خطر وقوع حادث (في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية في ليلة الحادث ، تم إيقاف تشغيل جميع أنظمة الحماية في حالات الطوارئ تمامًا بسبب الإهمال الجنائي في انتهاك لجميع التعليمات والمحظورات) ، ولكن يجب تذكر هذا الاحتمال.

بعد تركيز المعلومات حول أنواع المفاعلات النووية ، يمكننا أن نقول ما يلي. مفاعلات VVER آمنة تمامًا للعمل ، ولكنها تتطلب اليورانيوم عالي التخصيب. مفاعلات RMBC آمنة فقط إذا تم تشغيلها بشكل صحيح ولديها أنظمة حماية جيدة التصميم ، لكنها قادرة على استخدام وقود منخفض التخصيب أو حتى وقود مستهلك من مفاعلات VVER. مفاعلات الماء الثقيل جيدة للجميع ، لكن عملية الحصول على الماء الثقيل مكلفة للغاية. لم يتم تطوير تقنية إنتاج المفاعلات ذات القاعدة الحصوية بشكل جيد بعد ، على الرغم من أنه يجب التعرف على هذا النوع من المفاعلات باعتباره الأنسب للتطبيق على نطاق واسع ، على وجه الخصوص ، بسبب عدم وجود عواقب كارثية في حادث مفاعل هارب. المفاعلات النيوترونية السريعة هي المستقبل لإنتاج الوقود للطاقة النووية ، لكن تصميمها معقد للغاية ولا يزال غير موثوق به.

بالنسبة لشخص عادي ، فإن الأجهزة الحديثة عالية التقنية غامضة وغامضة لدرجة أنه من الصواب عبادتها ، كما كان القدماء يعبدون البرق. دروس الفيزياء المدرسية المليئة بالحسابات الرياضية لا تحل المشكلة. لكن من المثير للاهتمام أن نتحدث حتى عن مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله واضح حتى للمراهق.

كيف يعمل المفاعل النووي؟

مبدأ تشغيل هذا الجهاز عالي التقنية كما يلي:

1. عندما يتم امتصاص النيوترون ، يتم استخدام الوقود النووي (غالبًا هذا اليورانيوم 235أو البلوتونيوم 239) يحدث انشطار النواة الذرية ؛
2. يتم إطلاق الطاقة الحركية وإشعاع جاما والنيوترونات الحرة ؛
3. يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية (عندما تتصادم النوى مع الذرات المحيطة) ، يمتص المفاعل نفسه إشعاع جاما ويتحول أيضًا إلى حرارة ؛
4. يتم امتصاص بعض النيوترونات المتولدة بواسطة ذرات الوقود ، مما يتسبب في حدوث تفاعل متسلسل. للسيطرة عليه ، يتم استخدام ماصات ومعدلات النيوترونات ؛
5. بمساعدة المبرد (الماء أو الغاز أو الصوديوم السائل) ، تتم إزالة الحرارة من موقع التفاعل ؛
6. يستخدم البخار المضغوط الناتج عن الماء الساخن لتشغيل التوربينات البخارية ؛
7. بمساعدة المولد ، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية لدوران التوربينات إلى تيار كهربائي متناوب.

مقاربات التصنيف

يمكن أن يكون هناك العديد من الأسباب لتصنيف المفاعلات:

• حسب نوع التفاعل النووي. الانشطار (جميع المنشآت التجارية) أو الاندماج (الطاقة النووية الحرارية ، منتشر فقط في بعض المعاهد البحثية) ؛
• بواسطة المبرد. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم استخدام الماء (غليان أو ثقيل) لهذا الغرض. تُستخدم الحلول البديلة أحيانًا: معدن سائل (الصوديوم ، سبائك الرصاص البزموت ، الزئبق) ، الغاز (الهيليوم ، ثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين) ، الملح المصهور (أملاح الفلوريد) ؛
• بالجيل.الأول هو النماذج الأولية المبكرة ، والتي لم يكن لها أي معنى تجاري. والثاني هو غالبية محطات الطاقة النووية المستخدمة حاليًا والتي تم بناؤها قبل عام 1996. يختلف الجيل الثالث عن الجيل السابق فقط في تحسينات طفيفة. لا يزال العمل على الجيل الرابع جاريًا ؛
• حسب الحالة الكليةالوقود (الغاز لا يزال موجودًا على الورق فقط) ؛
• عن طريق الغرض من الاستخدام(لإنتاج الكهرباء ، تشغيل المحرك ، إنتاج الهيدروجين ، تحلية المياه ، تحويل العناصر ، الحصول على الإشعاع العصبي ، الأغراض النظرية والاستقصائية).

جهاز المفاعل النووي

المكونات الرئيسية للمفاعلات في معظم محطات الطاقة هي:

1. الوقود النووي - مادة ضرورية لإنتاج الحرارة لتوربينات الطاقة (عادة اليورانيوم المنخفض التخصيب) ؛
2. المنطقة النشطة للمفاعل النووي - هذا هو المكان الذي يحدث فيه التفاعل النووي ؛
3. وسيط النيوترونات - يقلل من سرعة النيوترونات السريعة ، ويحولها إلى نيوترونات حرارية ؛
4. مصدر بدء نيوتروني - يستخدم لإطلاق موثوق ومستقر لتفاعل نووي ؛
5. جهاز امتصاص النيوترون - متوفر في بعض محطات توليد الطاقة لتقليل التفاعل العالي للوقود الطازج ؛
6. هاوتزر نيوترون - يستخدم لإعادة بدء التفاعل بعد إيقافه ؛
7. المبرد (الماء النقي) ؛
8. قضبان التحكم - للتحكم في معدل انشطار نوى اليورانيوم أو البلوتونيوم ؛
9. مضخة الماء - تضخ الماء إلى غلاية البخار ؛
10. توربين بخاري - يحول الطاقة الحرارية للبخار إلى طاقة ميكانيكية دورانية ؛
11. برج التبريد - جهاز لإزالة الحرارة الزائدة في الغلاف الجوي ؛
12. نظام استقبال وتخزين النفايات المشعة.
13. أنظمة الأمان (مولدات الديزل للطوارئ ، أجهزة التبريد الأساسي للطوارئ).

كيف تعمل أحدث الموديلات

سيكون أحدث جيل رابع من المفاعلات متاحًا للتشغيل التجاري ليس قبل عام 2030. حاليا ، مبدأ وترتيب عملهم في مرحلة التطوير. وفقًا للبيانات الحالية ، ستختلف هذه التعديلات عن النماذج الحالية في مثل هذا فوائد:

• نظام تبريد الغاز السريع. من المفترض أن الهليوم سوف يستخدم كمبرد. وفقًا لوثائق التصميم ، يمكن تبريد المفاعلات بدرجة حرارة 850 درجة مئوية بهذه الطريقة. للعمل في درجات حرارة عالية ، هناك حاجة أيضًا إلى مواد خام محددة: مواد السيراميك المركبة ومركبات الأكتينيد ؛
• من الممكن استخدام الرصاص أو سبيكة الرصاص البزموت كمبرد أولي. تتميز هذه المواد بامتصاص نيوتروني منخفض ونقطة انصهار منخفضة نسبيًا ؛
• أيضًا ، يمكن استخدام خليط من الأملاح المنصهرة كمبرد رئيسي. وبالتالي ، سيكون من الممكن العمل في درجات حرارة أعلى من مثيلاتها الحديثة المبردة بالماء.

نظائرها الطبيعية في الطبيعة

يُنظر إلى المفاعل النووي في ذهن الجمهور فقط على أنه نتاج تكنولوجيا عالية. ومع ذلك ، في الواقع الأول الجهاز من أصل طبيعي. تم اكتشافه في منطقة أوكلو ، في دولة الجابون بوسط إفريقيا:

• تم تشكيل المفاعل نتيجة غمر صخور اليورانيوم بالمياه الجوفية. لقد عملوا كوسطاء نيوترونيين.
• الطاقة الحرارية المنبعثة أثناء تحلل اليورانيوم تحول الماء إلى بخار ، ويتوقف التفاعل المتسلسل ؛
• بعد انخفاض درجة حرارة سائل التبريد ، يتكرر كل شيء مرة أخرى ؛
• إذا لم يغلي السائل وأوقف مسار رد الفعل ، لكانت البشرية قد واجهت كارثة طبيعية جديدة ؛
• بدأ الانشطار النووي الذاتي في هذا المفاعل منذ حوالي مليار ونصف المليار سنة. خلال هذا الوقت ، تم تخصيص حوالي 0.1 مليون واط من طاقة الإخراج ؛
• هذه العجائب من العالم على الأرض هي الوحيدة المعروفة. ظهور مواد جديدة أمر مستحيل: نسبة اليورانيوم 235 في المواد الخام الطبيعية أقل بكثير من المستوى اللازم للحفاظ على تفاعل متسلسل.

كم عدد المفاعلات النووية في كوريا الجنوبية؟

إن جمهورية كوريا فقيرة في الموارد الطبيعية ، لكنها صناعية ومكتظة بالسكان ، في حاجة ماسة إلى الطاقة. على خلفية رفض ألمانيا للذرة السلمية ، فإن هذا البلد لديه آمال كبيرة في كبح التكنولوجيا النووية:

• ومن المقرر أنه بحلول عام 2035 ستصل حصة الكهرباء المولدة من محطات الطاقة النووية إلى 60٪ ، والإنتاج الإجمالي - أكثر من 40 جيجاوات ؛
• لا تمتلك البلاد أسلحة ذرية ، لكن الأبحاث في الفيزياء النووية مستمرة. طور العلماء الكوريون تصميمات للمفاعلات الحديثة: معيارية ، هيدروجين ، مع معدن سائل ، إلخ ؛
• يتيح لك نجاح الباحثين المحليين بيع التكنولوجيا في الخارج. ومن المتوقع أن تصدر الدولة 80 وحدة من هذا القبيل خلال 15-20 سنة القادمة ؛
• ولكن اعتبارًا من اليوم ، تم بناء معظم محطات الطاقة النووية بمساعدة علماء أمريكيين أو فرنسيين.
• عدد محطات التشغيل صغير نسبيًا (أربعة فقط) ، لكن لكل منها عدد كبير من المفاعلات - 40 في المجموع ، وسيزداد هذا الرقم.

عندما يتم قصفه بالنيوترونات ، يدخل الوقود النووي في تفاعل متسلسل ، ونتيجة لذلك يتم توليد كمية هائلة من الحرارة. يأخذ الماء في النظام هذه الحرارة ويحولها إلى بخار يحول التوربينات التي تنتج الكهرباء. فيما يلي رسم تخطيطي بسيط لتشغيل مفاعل ذري ، أقوى مصدر للطاقة على الأرض.

فيديو: كيف تعمل المفاعلات النووية

في هذا الفيديو ، سيخبرك الفيزيائي النووي فلاديمير تشيكين كيف يتم توليد الكهرباء في المفاعلات النووية ، هيكلها التفصيلي:

الطاقة الهائلة لذرة صغيرة

"العلم الجيد هو الفيزياء! فقط الحياة قصيرة ". تنتمي هذه الكلمات إلى عالم قام بالكثير بشكل مذهل في الفيزياء. تم نطقها مرة واحدة من قبل الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورتشاتوف، مبتكر أول محطة للطاقة النووية في العالم.

في 27 يونيو 1954 ، بدأ تشغيل محطة الطاقة الفريدة هذه. للبشرية مصدر قوي آخر للكهرباء.

كان الطريق إلى إتقان طاقة الذرة طويلًا وصعبًا. بدأت في العقود الأولى من القرن العشرين باكتشاف النشاط الإشعاعي الطبيعي من قبل كوري ، مع افتراضات بور ، نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة ، وإثبات ذلك ، كما يبدو الآن ، حقيقة واضحة - نواة أي تتكون الذرة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة.

في عام 1934 ، اكتشف فريدريك وإيرين جوليو كوري (ابنة ماري سكلودوفسكا كوري وبيير كوري) أنه من خلال قصفهما بجزيئات ألفا (نوى ذرات الهيليوم) ، يمكن تحويل العناصر الكيميائية العادية إلى عناصر مشعة. الظاهرة الجديدة تسمى النشاط الإشعاعي الاصطناعي.

في. كورتشاتوف (يمين) وأ. أ. عليخانوف (في الوسط) مع معلمهم أ. إف إيوفي. (أوائل الثلاثينيات).

إذا تم تنفيذ مثل هذا القصف بجزيئات سريعة وثقيلة جدًا ، فستبدأ سلسلة من التحولات الكيميائية. العناصر ذات النشاط الإشعاعي الاصطناعي ستفسح المجال تدريجياً لعناصر مستقرة لن تتحلل بعد الآن.

بمساعدة التشعيع أو القصف ، من السهل تحقيق حلم الكيميائيين - صنع الذهب من عناصر كيميائية أخرى. فقط تكلفة هذا التحول ستتجاوز سعر الذهب المستلم بشكل كبير ...

انشطار نوى اليورانيوم

تم جلب المزيد من الفوائد (وللأسف القلق) للبشرية من خلال الاكتشاف في 1938-1939 من قبل مجموعة من الفيزيائيين والكيميائيين الألمان انشطار نوى اليورانيوم. عند تشعيعها بالنيوترونات ، تتحلل نوى اليورانيوم الثقيل إلى عناصر كيميائية أخف تنتمي إلى الجزء الأوسط من النظام الدوري لمندلييف ، وتطلق عدة نيوترونات. بالنسبة لنواة العناصر الخفيفة ، يتبين أن هذه النيوترونات غير ضرورية ... عندما "تنقسم" نوى اليورانيوم ، يمكن أن يبدأ تفاعل متسلسل: كل من النيوترونات الناتجة أو النيوترونات الثلاثة قادرة على إنتاج عدة نيوترونات بدورها ، ضرب نواة ذرة مجاورة.

تبين أن الكتلة الإجمالية لمنتجات مثل هذا التفاعل النووي ، كما حسب العلماء ، أقل من كتلة نوى المادة الأصلية - اليورانيوم.

وفقًا لمعادلة أينشتاين ، التي تتعلق بالكتلة والطاقة ، يمكن للمرء بسهولة تحديد أنه يجب إطلاق كمية هائلة من الطاقة في هذه الحالة! وسيحدث ذلك في وقت قصير جدًا. ما لم يصبح رد الفعل المتسلسل ، بالطبع ، لا يمكن السيطرة عليه ويصل إلى النهاية ...

المشي بعد المؤتمر E. Fermi (يمين) مع تلميذه B. Pontecorvo. (بازل ، 1949)

كانت الاحتمالات المادية والتقنية الهائلة المخبأة في عملية انشطار اليورانيوم من بين أول ما تم تقديره إنريكو فيرمي، في تلك الثلاثينيات البعيدة من قرننا ، لا يزال صغيرًا جدًا ، ولكنه رئيس معترف به بالفعل لمدرسة الفيزيائيين الإيطالية. قبل الحرب العالمية الثانية بوقت طويل ، قام هو ومجموعة من الموظفين الموهوبين بالتحقيق في سلوك المواد المختلفة تحت إشعاع النيوترون وقرروا أن كفاءة عملية انشطار اليورانيوم يمكن أن تزداد بشكل كبير ... عن طريق إبطاء حركة النيوترونات. قد يبدو الأمر غريبًا للوهلة الأولى ، مع انخفاض سرعة النيوترونات ، تزداد احتمالية التقاطها بواسطة نوى اليورانيوم. المواد التي يمكن الوصول إليها بشكل جيد تعمل بمثابة "وسيط" فعال للنيوترونات: البارافين والكربون والماء ...

بالانتقال إلى الولايات المتحدة ، واصل فيرمي دوره كعقل وقلب الأبحاث النووية هناك. تم الجمع بين موهبتين ، عادة ما يكونا متعارضين ، في فيرمي: مُنظِّر بارز ومُجرب لامع. كتب العالم البارز دبليو زين بعد وفاة فيرمي المبكرة من ورم خبيث في عام 1954 عن عمر يناهز 53 عامًا: "سيمر وقت طويل قبل أن نرى شخصًا مساوياً له".

قرر فريق من العلماء الذين احتشدوا حول فيرمي خلال الحرب العالمية الثانية إنشاء سلاح ذو قوة تدميرية غير مسبوقة استنادًا إلى تفاعل متسلسل لانشطار اليورانيوم - قنبلة ذرية. كان العلماء في عجلة من أمرهم: ماذا لو كانت ألمانيا النازية هي أول من يصنع سلاحًا جديدًا ويستخدمه في رغبتها اللاإنسانية في استعباد الشعوب الأخرى؟

بناء مفاعل نووي في بلادنا

بالفعل في عام 1942 ، تمكن العلماء من التجمع والإطلاق على أرض ملعب جامعة شيكاغو أول مفاعل نووي. كانت قضبان اليورانيوم في المفاعل تتخللها "طوب" الكربون - وسيط ، وإذا أصبح التفاعل المتسلسل مع ذلك شديد العنف ، فيمكن إيقافه بسرعة عن طريق إدخال ألواح الكادميوم في المفاعل ، الذي يفصل قضبان اليورانيوم ويمتص النيوترونات تمامًا.

كان الباحثون فخورين جدًا بالأجهزة البسيطة التي اخترعوها للمفاعل ، والتي تجعلنا نبتسم الآن. يتذكر أحد موظفي فيرمي في شيكاغو ، الفيزيائي الشهير جي أندرسون ، أن قصدير الكادميوم كان مسمرًا على كتلة خشبية ، والتي ، إذا لزم الأمر ، تم إنزالها على الفور في المرجل تحت تأثير جاذبيتها ، وهذا كان سبب إعطائها اسم "لحظة". كتب جي أندرسون: "قبل بدء تشغيل الغلاية ، كان يجب سحب هذا القضيب وتثبيته بحبل. في حالة وقوع حادث ، يمكن قطع الحبل وستأخذ "اللحظة" مكانها داخل المرجل.

تم الحصول على تفاعل متسلسل مضبوط في مفاعل ذري ، وتم التحقق من الحسابات النظرية والتنبؤات. حدثت سلسلة من التحولات الكيميائية في المفاعل ، نتج عنها تراكم عنصر كيميائي جديد ، وهو البلوتونيوم. يمكن استخدامه ، مثل اليورانيوم ، في صنع قنبلة ذرية.

لقد قرر العلماء أن هناك "كتلة حرجة" من اليورانيوم أو البلوتونيوم. إذا كان هناك ما يكفي من المادة الذرية ، يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار ، وإذا كان صغيرًا ، وأقل من "الكتلة الحرجة" ، ثم يتم إطلاق الحرارة ببساطة.

بناء محطة للطاقة النووية

في القنبلة الذرية ذات التصميم الأبسط ، يتم تكديس قطعتين من اليورانيوم أو البلوتونيوم جنبًا إلى جنب ، وتكون كتلة كل منهما أقل قليلاً من الكتلة الحرجة. في اللحظة المناسبة ، يربط الفتيل من المتفجرات العادية القطع ، وتتجاوز كتلة الوقود الذري القيمة الحرجة - ويحدث إطلاق الطاقة المدمرة للقوة الوحشية على الفور ...

إشعاع الضوء الساطع ، موجة الصدمة التي تجرف كل شيء في طريقها ، واختراق الإشعاع المشع ضرب سكان مدينتين يابانيتين - هيروشيما وناغازاكي - بعد انفجار القنبلة الذرية الأمريكية في عام 1945 ، ومنذ ذلك الحين ، ينزعج الناس من ذلك. العواقب الوخيمة لاستخدام القنابل الذرية - الأسلحة.

تحت القيادة العلمية الموحدة لـ IV Kurchatov ، طور الفيزيائيون السوفييت أسلحة ذرية.

لكن قائد هذه الأعمال لم يتوقف عن التفكير في الاستخدام السلمي للطاقة الذرية. بعد كل شيء ، يجب تبريد المفاعل النووي بشكل مكثف ، فلماذا لا "تُعطى" هذه الحرارة إلى توربين بخاري أو غازي ، ولا تستخدم لتدفئة المنازل؟

تم تمرير الأنابيب ذات المعدن السائل منخفض الانصهار عبر المفاعل النووي. يدخل المعدن المسخن إلى المبادل الحراري ، حيث ينقل حرارته إلى الماء. تحول الماء إلى بخار شديد الحرارة ، وبدأ التوربين في العمل. كان المفاعل محاطًا بقشرة واقية من الخرسانة مع حشو معدني: يجب ألا يتسرب الإشعاع المشع.

تحول المفاعل النووي إلى محطة للطاقة النووية ، مما يوفر للناس ضوءًا هادئًا ودفئًا دافئًا ، والعالم المنشود ...

الطاقة النووية هي وسيلة حديثة وسريعة التطور لتوليد الكهرباء. هل تعرف كيف يتم ترتيب محطات الطاقة النووية؟ ما هو مبدأ تشغيل محطة الطاقة النووية؟ ما أنواع المفاعلات النووية الموجودة اليوم؟ سنحاول النظر بالتفصيل في مخطط تشغيل محطة للطاقة النووية ، والتعمق في هيكل المفاعل النووي ومعرفة مدى أمان الطريقة الذرية لتوليد الكهرباء.

أي محطة هي منطقة مغلقة بعيدة عن المنطقة السكنية. هناك العديد من المباني على أراضيها. والمبنى الأكثر أهمية هو مبنى المفاعل وبجانبه قاعة التوربينات التي يتم من خلالها التحكم في المفاعل ومبنى الأمان.

المخطط مستحيل بدون مفاعل نووي. المفاعل الذري (النووي) هو جهاز لمحطة الطاقة النووية ، وهو مصمم لتنظيم تفاعل متسلسل للانشطار النيوتروني مع الإطلاق الإجباري للطاقة في هذه العملية. ولكن ما هو مبدأ تشغيل محطة للطاقة النووية؟

يتم وضع مصنع المفاعل بالكامل في مبنى المفاعل ، وهو برج خرساني كبير يخفي المفاعل ، وفي حالة وقوع حادث ، سيحتوي على جميع نواتج التفاعل النووي. يسمى هذا البرج الكبير بالاحتواء أو الغلاف المحكم أو الاحتواء.

تحتوي منطقة الاحتواء في المفاعلات الجديدة على جدارين خرسانيين سميكين - قذائف.
غلاف خارجي بسماكة 80 سم يحمي منطقة الاحتواء من التأثيرات الخارجية.

الغلاف الداخلي بسماكة 1 متر 20 سم به كابلات فولاذية خاصة في الجهاز ، والتي تزيد من قوة الخرسانة بحوالي ثلاث مرات ولن تسمح للهيكل بالانهيار. من الداخل ، يتم تبطينه بصفائح رقيقة من الفولاذ الخاص ، وهو مصمم ليكون بمثابة حماية إضافية للاحتواء ، وفي حالة وقوع حادث ، يمنع تسرب محتويات المفاعل خارج منطقة الاحتواء.

يمكن لمثل هذا الجهاز لمحطة الطاقة النووية أن يتحمل سقوط طائرة يصل وزنها إلى 200 طن ، وزلزال بقوة 8 درجات ، وإعصار وتسونامي.

تم بناء أول حاوية مضغوطة في محطة الطاقة النووية الأمريكية كونيتيكت يانكي في عام 1968.

يبلغ الارتفاع الإجمالي لمنطقة الاحتواء 50-60 مترًا.

مما يتكون المفاعل النووي؟

لفهم مبدأ تشغيل المفاعل النووي ، ومن ثم مبدأ تشغيل محطة الطاقة النووية ، تحتاج إلى فهم مكونات المفاعل.

• منطقة نشطة. هذه هي المنطقة التي يتم فيها وضع الوقود النووي (المُطلق الحرارة) والمُحَوِّل. تؤدي ذرات الوقود (غالبًا اليورانيوم هو الوقود) تفاعل تسلسلي انشطاري. تم تصميم الوسيط للتحكم في عملية الانشطار ، ويسمح لك بتنفيذ التفاعل المطلوب من حيث السرعة والقوة.
• عاكس نيوتروني. العاكس يحيط بالمنطقة النشطة. يتكون من نفس مادة الوسيط. في الواقع ، هذا صندوق ، والغرض الرئيسي منه هو منع النيوترونات من مغادرة القلب والدخول إلى البيئة.
• المبرد. يجب أن يمتص المبرد الحرارة المنبعثة أثناء انشطار ذرات الوقود وينقلها إلى مواد أخرى. يحدد المبرد إلى حد كبير كيفية تصميم محطة الطاقة النووية. المبرد الأكثر شعبية اليوم هو الماء.
  نظام التحكم في المفاعلات. أجهزة الاستشعار والآليات التي تعمل على تشغيل مفاعل محطة الطاقة النووية.

وقود لمحطات الطاقة النووية

ماذا تفعل محطة الطاقة النووية؟ وقود محطات الطاقة النووية عبارة عن عناصر كيميائية ذات خصائص مشعة. في جميع محطات الطاقة النووية ، يعتبر اليورانيوم عنصرًا من هذا القبيل.

يشير تصميم المحطات إلى أن محطات الطاقة النووية تعمل بوقود مركب معقد ، وليس على عنصر كيميائي خالص. ومن أجل استخلاص وقود اليورانيوم من اليورانيوم الطبيعي ، الذي يتم تحميله في مفاعل نووي ، فأنت بحاجة إلى القيام بالكثير من التلاعبات.

اليورانيوم المخصب

يتكون اليورانيوم من نظيرين ، أي أنه يحتوي على نوى ذات كتل مختلفة. تم تسميتهم بعدد البروتونات ونظائر النيوترونات -235 والنظير 238. بدأ باحثو القرن العشرين في استخراج اليورانيوم 235 من الخام ، لأن. كان من الأسهل التحلل والتحول. اتضح أنه لا يوجد سوى 0.7٪ من هذا اليورانيوم في الطبيعة (ذهبت النسب المئوية المتبقية إلى النظير 238).

ماذا تفعل في هذه الحالة؟ قرروا تخصيب اليورانيوم. يُعد تخصيب اليورانيوم عملية عندما يكون هناك العديد من النظائر 235x الضرورية وبقي عدد قليل من النظائر 238x غير الضرورية فيها. تتمثل مهمة مخصبات اليورانيوم في إنتاج ما يقرب من 100٪ من اليورانيوم -235 من 0.7٪.

يمكن تخصيب اليورانيوم باستخدام تقنيتين - نشر الغاز أو أجهزة الطرد المركزي الغازية. لاستخدامها ، يتم تحويل اليورانيوم المستخرج من الخام إلى حالة غازية. في شكل غاز ، يتم تخصيبه.

مسحوق اليورانيوم

يتم تحويل غاز اليورانيوم المخصب إلى حالة صلبة - ثاني أكسيد اليورانيوم. يشبه اليورانيوم 235 الصلب النقي هذا بلورات بيضاء كبيرة يتم سحقها لاحقًا لتتحول إلى مسحوق يورانيوم.

أقراص اليورانيوم

حبيبات اليورانيوم عبارة عن حلقات معدنية صلبة يبلغ طولها بضعة سنتيمترات. من أجل تشكيل مثل هذه الأقراص من مسحوق اليورانيوم ، يتم خلطها بمادة - مادة ملدنة ، مما يحسن جودة ضغط الأقراص.

يتم خبز الغسالات المضغوطة على درجة حرارة 1200 درجة مئوية لأكثر من يوم لإعطاء الأقراص قوة خاصة ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة. تعتمد الطريقة التي تعمل بها محطة الطاقة النووية بشكل مباشر على مدى جودة ضغط وقود اليورانيوم وخبزه.

يتم خبز الأقراص في علب الموليبدينوم ، لأن. فقط هذا المعدن قادر على عدم الذوبان عند درجات حرارة "جهنم" تزيد عن ألف ونصف درجة. بعد ذلك يعتبر وقود اليورانيوم لمحطات الطاقة النووية جاهزا.

ما هو TVEL و TVS؟

يشبه قلب المفاعل قرصًا ضخمًا أو أنبوبًا به ثقوب في الجدران (اعتمادًا على نوع المفاعل) ، أكبر بخمس مرات من جسم الإنسان. تحتوي هذه الثقوب على وقود اليورانيوم الذي تقوم ذراته بالتفاعل المطلوب.

من المستحيل ببساطة إلقاء الوقود في المفاعل ، حسنًا ، إذا كنت لا ترغب في حدوث انفجار للمحطة بأكملها وحادث له عواقب على دولتين مجاورتين. لذلك ، يتم وضع وقود اليورانيوم في قضبان الوقود ، ثم يتم تجميعه في مجموعات الوقود. ماذا تعني هذه الاختصارات؟

• TVEL - عنصر الوقود (يجب عدم الخلط بينه وبين نفس اسم الشركة الروسية التي تنتجها). في الواقع ، هذا أنبوب رفيع وطويل من الزركونيوم مصنوع من سبائك الزركونيوم ، توضع فيه كريات اليورانيوم. في قضبان الوقود ، تبدأ ذرات اليورانيوم في التفاعل مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة أثناء التفاعل.

تم اختيار الزركونيوم كمادة لإنتاج قضبان الوقود نظرًا لخصائصه المقاومة للحرارة ومقاومة التآكل.

يعتمد نوع عناصر الوقود على نوع المفاعل وهيكله. كقاعدة عامة ، لا يتغير هيكل قضبان الوقود والغرض منها ؛ يمكن أن يختلف طول وعرض الأنبوب.

تقوم الآلة بتحميل أكثر من 200 حبيبة من اليورانيوم في أنبوب واحد من الزركونيوم. في المجموع ، تعمل حوالي 10 ملايين من حبيبات اليورانيوم في نفس الوقت في المفاعل.
FA - تجميع الوقود. يقوم عمال NPP باستدعاء حزم تجميعات الوقود.

في الواقع ، هذه عدة TVELs مثبتة معًا. مجمعات الوقود هي وقود نووي جاهز ، تعمل عليه محطة طاقة نووية. هي مجموعات الوقود التي يتم تحميلها في مفاعل نووي. يتم وضع حوالي 150 - 400 مجموعة وقود في مفاعل واحد.
اعتمادًا على المفاعل الذي ستعمل فيه مجموعة الوقود ، تأتي في أشكال مختلفة. في بعض الأحيان يتم طي الحزم في شكل مكعب ، وأحيانًا إلى شكل أسطواني ، وأحيانًا في شكل سداسي.

يولد تجميع وقود واحد لمدة 4 سنوات من التشغيل نفس القدر من الطاقة كما هو الحال عند حرق 670 عربة من الفحم أو 730 خزانًا بالغاز الطبيعي أو 900 خزان محمل بالزيت.
اليوم ، يتم إنتاج مجموعات الوقود بشكل أساسي في مصانع في روسيا وفرنسا والولايات المتحدة واليابان.

من أجل توصيل الوقود لمحطات الطاقة النووية إلى دول أخرى ، يتم إحكام إغلاق مجمعات الوقود في أنابيب معدنية طويلة وواسعة ، ويتم ضخ الهواء من الأنابيب وتسليمه على متن طائرات الشحن بواسطة آلات خاصة.

الوقود النووي لمحطات الطاقة النووية يزن كثيرًا ، tk. اليورانيوم هو أحد أثقل المعادن على هذا الكوكب. جاذبيتها النوعية 2.5 مرة من الفولاذ.

محطة الطاقة النووية: مبدأ التشغيل

ما هو مبدأ تشغيل محطة الطاقة النووية؟ يعتمد مبدأ تشغيل محطات الطاقة النووية على تفاعل متسلسل لانشطار ذرات مادة مشعة - اليورانيوم. يحدث هذا التفاعل في قلب مفاعل نووي.

من المهم أن تعرف:

إذا لم تدخل في تعقيدات الفيزياء النووية ، فإن مبدأ تشغيل محطة للطاقة النووية يبدو كما يلي:
بعد بدء المفاعل النووي ، يتم إزالة قضبان الامتصاص من قضبان الوقود ، مما يمنع اليورانيوم من التفاعل.

بمجرد إزالة القضبان ، تبدأ نيوترونات اليورانيوم في التفاعل مع بعضها البعض.

عندما تصطدم النيوترونات ، يحدث انفجار صغير على المستوى الذري ، ويتم إطلاق الطاقة وتولد نيوترونات جديدة ، ويبدأ تفاعل متسلسل في الحدوث. هذه العملية تطلق الحرارة.

يتم نقل الحرارة إلى المبرد. اعتمادًا على نوع المبرد ، يتحول إلى بخار أو غاز ، والذي يدور التوربين.

يعمل التوربين على تشغيل مولد كهربائي. إنه في الواقع هو الذي يولد الكهرباء.

إذا لم تتبع هذه العملية ، يمكن أن تتصادم نيوترونات اليورانيوم مع بعضها البعض حتى يتم تفجير المفاعل ويتم تفجير محطة الطاقة النووية بالكامل إلى قطع صغيرة. تتحكم مستشعرات الكمبيوتر في العملية. يكتشفون زيادة في درجة الحرارة أو تغيير في الضغط في المفاعل ويمكنهم إيقاف التفاعلات تلقائيًا.

ما الفرق بين مبدأ تشغيل محطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الحرارية (محطات الطاقة الحرارية)؟

الاختلافات في العمل فقط في المراحل الأولى. في محطات الطاقة النووية ، يتلقى المبرد الحرارة من انشطار ذرات وقود اليورانيوم ، في محطات الطاقة الحرارية ، يتلقى المبرد الحرارة من احتراق الوقود العضوي (الفحم أو الغاز أو الزيت). بعد أن تطلق ذرات اليورانيوم أو الغاز بالفحم الحرارة ، فإن مخططات تشغيل محطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الحرارية هي نفسها.

أنواع المفاعلات النووية

تعتمد كيفية عمل محطة الطاقة النووية على كيفية عمل مفاعلها النووي. يوجد اليوم نوعان رئيسيان من المفاعلات ، والتي تصنف حسب طيف الخلايا العصبية:
مفاعل نيوتروني بطيء ، ويسمى أيضًا مفاعل حراري.

لتشغيلها ، يتم استخدام 235 يورانيوم ، والتي تمر عبر مراحل التخصيب ، وإنشاء أقراص اليورانيوم ، إلخ. اليوم ، المفاعلات النيوترونية البطيئة موجودة في الغالبية العظمى.
مفاعل نيوتروني سريع.

هذه المفاعلات هي المستقبل ، لأن إنهم يعملون على اليورانيوم 238 ، وهو عشرة سنتات بطبيعته وليس من الضروري تخصيب هذا العنصر. عيب هذه المفاعلات هو فقط في التكاليف الباهظة للتصميم والبناء والإطلاق. اليوم ، تعمل المفاعلات النيوترونية السريعة فقط في روسيا.

المبرد في مفاعلات النيوترونات السريعة هو الزئبق أو الغاز أو الصوديوم أو الرصاص.

مفاعلات النيوترون البطيئة ، التي تستخدم اليوم من قبل جميع محطات الطاقة النووية في العالم ، تأتي أيضًا في عدة أنواع.

أنشأت منظمة الوكالة الدولية للطاقة الذرية (الوكالة الدولية للطاقة الذرية) تصنيفها الخاص ، والذي يستخدم في أغلب الأحيان في الصناعة النووية العالمية. نظرًا لأن مبدأ تشغيل محطة للطاقة النووية يعتمد إلى حد كبير على اختيار المبرد والميسر ، فقد استندت الوكالة الدولية للطاقة الذرية في تصنيفها على هذه الاختلافات.

من وجهة نظر كيميائية ، فإن أكسيد الديوتيريوم هو الوسيط المثالي والمبرد ، لأن تتفاعل ذراته بشكل أكثر فاعلية مع نيوترونات اليورانيوم مقارنة بالمواد الأخرى. ببساطة ، يؤدي الماء الثقيل مهمته بأقل قدر من الخسائر وأقصى النتائج. ومع ذلك ، فإن إنتاجه يكلف مالًا ، في حين أنه من الأسهل بكثير استخدام "الضوء" المعتاد والمياه المألوفة بالنسبة لنا.

بعض الحقائق عن المفاعلات النووية ...

من المثير للاهتمام أن مفاعلًا واحدًا للطاقة النووية تم بناؤه لمدة 3 سنوات على الأقل!
لبناء مفاعل ، أنت بحاجة إلى معدات تعمل بتيار كهربائي يبلغ 210 كيلو أمبير ، وهو ما يعادل مليون ضعف التيار الذي يمكن أن يقتل شخصًا.

تزن قذيفة واحدة (عنصر هيكلي) لمفاعل نووي 150 طنًا. هناك 6 عناصر من هذا القبيل في مفاعل واحد.

مفاعل الماء المضغوط

لقد اكتشفنا بالفعل كيف تعمل محطة الطاقة النووية بشكل عام ، من أجل "فرزها" دعونا نرى كيف يعمل المفاعل النووي المضغوط الأكثر شيوعًا.
في جميع أنحاء العالم اليوم ، يتم استخدام الجيل 3+ من مفاعلات الماء المضغوط. تعتبر الأكثر موثوقية وأمانًا.

لقد نجحت جميع مفاعلات الماء المضغوط في جميع أنحاء العالم على مدار سنوات تشغيلها في الحصول على أكثر من 1000 عام من التشغيل الخالي من المتاعب ولم تسبب أي انحرافات خطيرة.

يشير هيكل محطات الطاقة النووية القائمة على مفاعلات الماء المضغوط إلى أن الماء المقطر يدور بين قضبان الوقود ، ويتم تسخينه إلى 320 درجة. لمنعه من الدخول في حالة بخار ، يتم الاحتفاظ به تحت ضغط 160 ضغط جوي. مخطط NPP يسميها المياه الأولية.

يدخل الماء المسخن إلى مولد البخار ويطلق حرارته إلى ماء الدائرة الثانوية ، وبعد ذلك "يعود" إلى المفاعل مرة أخرى. ظاهريًا ، يبدو أن أنابيب دائرة المياه الأولية على اتصال بأنابيب أخرى - مياه الدائرة الثانية ، تنقل الحرارة إلى بعضها البعض ، لكن المياه لا تتلامس. الأنابيب على اتصال.

وبالتالي ، فإن إمكانية وصول الإشعاع إلى مياه الدائرة الثانوية ، والتي ستشارك بشكل أكبر في عملية توليد الكهرباء ، مستبعدة.

سلامة محطات الطاقة النووية

بعد أن تعلمنا مبدأ تشغيل محطات الطاقة النووية ، يجب أن نفهم كيف يتم ترتيب السلامة. يتطلب تصميم محطات الطاقة النووية اليوم مزيدًا من الاهتمام بقواعد الأمان.
تبلغ تكلفة سلامة محطة الطاقة النووية حوالي 40٪ من التكلفة الإجمالية للمحطة نفسها.

يتضمن مخطط NPP 4 حواجز مادية تمنع إطلاق المواد المشعة. ما الذي يفترض أن تفعله هذه الحواجز؟ في الوقت المناسب ، تكون قادرًا على إيقاف التفاعل النووي ، وضمان الإزالة المستمرة للحرارة من القلب والمفاعل نفسه ، ومنع إطلاق النويدات المشعة من منطقة الاحتواء (منطقة الاحتواء).

• الحاجز الأول هو قوة كريات اليورانيوم.من المهم ألا تنهار تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة في المفاعل النووي. من نواحٍ عديدة ، تعتمد كيفية عمل محطة الطاقة النووية على كيفية "تحميص" كريات اليورانيوم في المرحلة الأولى من الإنتاج. إذا تم خبز كريات وقود اليورانيوم بشكل غير صحيح ، فإن تفاعلات ذرات اليورانيوم في المفاعل ستكون غير متوقعة.
• الحاجز الثاني هو ضيق قضبان الوقود.يجب أن تكون أنابيب الزركونيوم محكمة الإغلاق ، إذا تم كسر الضيق ، ففي أفضل الأحوال سوف يتلف المفاعل ويتوقف العمل ، وفي أسوأ الأحوال سوف يطير كل شيء في الهواء.
• الحاجز الثالث عبارة عن وعاء مفاعل فولاذي قويأ ، (نفس البرج الكبير - منطقة احتواء) الذي "يحمل" جميع العمليات المشعة في حد ذاته. الهيكل تالف - سيتم إطلاق الإشعاع في الغلاف الجوي.
• الحاجز الرابع هو قضبان الحماية في حالات الطوارئ.فوق المنطقة النشطة ، يتم تعليق القضبان ذات الوسيطات على مغناطيس ، والتي يمكن أن تمتص جميع النيوترونات في ثانيتين وتوقف التفاعل المتسلسل.

إذا لم يكن من الممكن ، على الرغم من إنشاء محطة طاقة نووية بدرجات حماية عديدة ، تبريد قلب المفاعل في الوقت المناسب ، وارتفعت درجة حرارة الوقود إلى 2600 درجة ، فإن الأمل الأخير لنظام الأمان يبدأ العمل. - ما يسمى بمصيدة الذوبان.

والحقيقة هي أنه عند درجة الحرارة هذه سوف يذوب قاع وعاء المفاعل ، وسوف تتدفق جميع بقايا الوقود النووي والهياكل المنصهرة إلى "زجاج" خاص معلق فوق قلب المفاعل.

يتم تبريد المصيدة الذائبة وصهرها. إنه مملوء بما يسمى بـ "المادة القربانية" ، والتي توقف تفاعل سلسلة الانشطار تدريجياً.

وبالتالي ، فإن مخطط NPP يتضمن عدة درجات من الحماية ، والتي تستبعد تمامًا تقريبًا أي احتمال لوقوع حادث.