Razlika med reaktorjem na hitre nevtrone in reaktorjem na počasne nevtrone. Princip delovanja hitrih nevtronskih reaktorjev

Pri nas so bile prve ocene lastnosti hitrega spektra nevtronov za jedrske reaktorje narejene leta 1946 na pobudo I.V. Kurčatova. Od leta 1949 je A.I. postal vodja dela na hitrih reaktorjih. Leypunsky, pod čigar znanstvenim vodstvom je bila približno istočasno z izračunom prikazana možnost razširjene reprodukcije jedrskega goriva in uporabe tekočega kovinskega hladila v reaktorjih s spektrom hitrih nevtronov. Obsežne raziskave za razvoj fizikalnih in fizikalno-tehničnih osnov hitrih reaktorjev so se začele na Inštitutu za fiziko in energetiko v Obninsku, nato pa še v številnih drugih organizacijah.

Za izvajanje raziskav v fiziki in inženirske težave reaktorji vklopljeni hitri nevtroni V IPPE so bili zgrajeni in zagnani kritični sklopi (reaktorji ničelne moči) in raziskovalni reaktorji na hitrih nevtronih (RR): BR-1(leta 1955), BR-2(leta 1956), BR-5(leta 1959), BFS-1(leta 1961), BFS-2(leta 1969), BR-10(rekonstrukcija BR-5, leta 1973).

Kot rezultat študij, izvedenih na teh prvih obratih, je bila potrjena možnost doseganja faktorja razmnoževanja jedrskega goriva v hitrih reaktorjih KV>1, uranov dioksid je bil priporočen kot glavno jedrsko gorivo, uranov dioksid pa je bil priporočen kot glavno hladilno sredstvo. . tekoči natrij.

Prvi demonstracijski hitri reaktor je bil sedanji Raziskovalni reaktor BOR-60.

• pridobivanje izkušenj pri obratovanju hitrih nevtronskih reaktorjev večjih moči;
• verifikacija metod za izračun nevtronskih karakteristik (kritična masa, toplotno sproščeno polje, proizvodnja in kakovost plutonija, koeficienti reaktivnosti);
• preverjanje zanesljivosti opreme in goriva; obrat za razsoljevanje morska voda, preverjanje varnostnih sistemov;
• problemi z nafto, z uparjalniki, z gorivnimi palicami, bobnom za izrabljene sklope (SAD), s sistemom za pretovarjanje, s konstrukcijskimi materiali gorivnih palic, gorivnih elementov in njihovih rešitev;
• raziskave znanosti o materialih, raziskave reprodukcijskega faktorja, testiranje naravne cirkulacije, eksperiment z vstopom v režim vrenja v gorivnem sklopu, poskusi dinamike razvoja medtokokrognega puščanja.

Hitri reaktor BN-600- deluje v sklopu agregata moči 600 MW - od leta 1980 dobavlja električno energijo v omrežje. Uporablja predvsem gorivo iz uranovega oksida, obogatenega na 17, 21 in 26 % in majhna količina MOX gorivo. To je reaktor integralnega tipa, vmesni toplotni izmenjevalniki natrij-natrij in glavne obtočne črpalke so nameščeni v reaktorski posodi. Tlak natrijevega hladilnega sredstva v ohišju je nekoliko (0,05 MPa) višji od atmosferskega tlaka, zato je nevarnost razpoka ohišja odpravljena. Generatorji pare, nameščeni zunaj trupa, dovajajo paro trem turbinskim generatorjem z močjo 200 MW.

27. junija 2014 je bil izveden fizični zagon bloka št. 4 s reaktor BN-800 10. decembra 2015 je bila prvič vključena v enotni energetski sistem države, 31. oktobra 2016 pa je bila predana v komercialno obratovanje. Reaktor je začel delovati s tako imenovanim hibridnim jedrom, v katerem je glavni del (84%) sestavljen iz gorivnih sklopov z uranovim gorivom in 16% - gorivnih elementov z gorivom MOX. Prehod tega reaktorja na polno obremenitev z gorivom MOX je predviden v letu 2019. Zgrajen je bil obrat za proizvodnjo goriva MOX.

IN reaktor BN-800 uporabljen kot preverjen tehnične rešitve, izveden v BN-600, pa tudi nove, ki bistveno povečajo varnost elektrarne, kot so: ničelni učinek reaktivnosti natrijevih praznin, hidravlično obtežene zasilne zaščitne palice, ki se sprožijo ob zmanjšanju pretoka hladilne tekočine, pasivni sistemi zasilnega hlajenja, posebna »past« pod jedrom za zbiranje in zadrževanje taline in drobcev jedra med njegovim uničenjem zaradi hude nesreče se je povečala potresna odpornost konstrukcije.

Hitri reaktorji, ki trenutno delujejo v svetu

Japonska vlada se je odločila za popolno razgradnjo jedrske elektrarne Monju, edine jedrske elektrarne v državi z reaktorjem na hitrih nevtronih.

Agencija za jedrsko regulativo (NRA) je odložila obravnavo ponovnega zagona hitrega natrijevega raziskovalnega reaktorja JOYO. Vloga za dovoljenje za ponovni zagon JOYO je bila oddana regulatorju 30. marca 2017. Aplikacija ne vsebuje predvidenega datuma ponovnega zagona.

Tako od leta 1972 (od izstrelitve BN-350) pri nas hitre reaktorje uporabljajo za pridobivanje električne energije in razsoljevanje vode. Trenutno je Rusija edina država na svetu, katere struktura jedrske energije vključuje hitre nevtronske reaktorje. To je bilo doseženo zaradi dejstva, da samo pri nas vsi potrebne korake razvoj BN tehnologije - hitri reaktorji z natrijevim hladilnim sredstvom.

Jedrski reaktorji s hitrimi nevtroni

Prva jedrska elektrarna na svetu (NPP), zgrajena v mestu Obninsk blizu Moskve, je proizvedla tok junija 1954. Njegova moč je bila zelo skromna - 5 MW. Vendar je igrala vlogo eksperimentalna postavitev, kjer so se nabirale izkušnje z obratovanjem bodočih velikih jedrskih elektrarn. Prvič možnost izdelave električna energija temelji na cepitvi uranovih jeder, in ne z izgorevanjem organskega goriva in ne s hidravlično energijo.

Jedrska elektrarna uporablja jedra težki elementi– uran in plutonij. Pri cepitvi jedra se energija sprosti - "deluje" v jedrske elektrarne. Uporabite pa lahko samo jedra, ki imajo določeno maso – izotopska jedra. Atomska jedra izotopov vsebujejo enako število protonov in raznih nevtronov, zato imajo jedra različnih izotopov istega elementa drugačna masa. Uran ima na primer 15 izotopov, vendar le uran-235 sodeluje v jedrskih reakcijah.

Reakcija fisije poteka na naslednji način. Jedro urana spontano razpade na več drobcev; med njimi so delci visoka energija– nevtroni. V povprečju je na vsakih 10 razpadov 25 nevtronov. Zadenejo jedra sosednjih atomov in jih razbijejo, pri čemer se sprostijo nevtroni in velik znesek toplota. Pri cepitvi grama urana se sprosti enaka količina toplote kot pri zgorevanju treh ton premoga.

Prostor v reaktorju, kjer se nahaja jedrsko gorivo, se imenuje sredica. Tukaj delitev je v teku atomska jedra uran in se sprosti termalna energija. Za zaščito obratovalnega osebja pred škodljivo sevanje spremljevalni verižna reakcija, so stene reaktorja narejene precej debele. Hitrost verige jedrska reakcija Upravljajo jih krmilne palice iz snovi, ki absorbira nevtrone (najpogosteje bor ali kadmij). Globlje kot so palice spuščene v aktivno območje, tem več nevtronov absorbirajo, manj nevtronov sodeluje v reakciji in manj toplote se sprosti. Nasprotno, ko krmilne palice dvignemo iz jedra, se število nevtronov, ki sodelujejo v reakciji, poveča, vsi večje število atomi urana se delijo, pri čemer se sprosti v njih skrita toplotna energija.

V primeru pregrevanja sredice je zagotovljena zasilna zaustavitev jedrskega reaktorja. Zasilne palice hitro padejo v jedro, intenzivno absorbirajo nevtrone in verižna reakcija se upočasni ali ustavi.

Toplota se iz jedrskega reaktorja odvaja s tekočim ali plinastim hladilnim sredstvom, ki se črpa skozi sredico. Hladilno sredstvo je lahko voda, kovinski natrij oz plinaste snovi. Odvzema toploto iz jedrskega goriva in jo prenaša v toplotni izmenjevalnik. to zaprt sistem s hladilno tekočino se imenuje primarni krog. V izmenjevalniku toplota iz primarnega kroga segreje vodo v sekundarnem krogu do vrelišča. Nastala para se pošlje v turbino ali uporabi za ogrevanje industrijskih in stanovanjskih zgradb.

Pred katastrofo v jedrski elektrarni v Černobilu so sovjetski znanstveniki prepričani, da bodo v prihodnjih letih v Nuklearna energija V široki uporabi bosta dve glavni vrsti reaktorjev. Eden od njih, VVER, je vodno-tlačni energetski reaktor, drugi, RBMK, pa kanalski reaktor velike moči. Oba tipa uvrščamo med reaktorje s počasnimi (toplotnimi) nevtroni.

V vodnem reaktorju pod tlakom je aktivno območje zaprto v ogromnem jeklenem cilindričnem telesu s premerom 4 metre in 15 metrov visoko z debelimi stenami in masivnim pokrovom. Znotraj ohišja tlak doseže 160 atmosfer. Hladilno sredstvo, ki odvaja toploto iz reakcijske cone, je voda, ki se črpa s črpalkami. Ista voda služi tudi kot moderator nevtronov. V uparjalniku segreje in pretvori vodo sekundarnega kroga v paro. Para vstopa v turbino in jo vrti. Tako prvi kot drugi krog sta zaprta.

Enkrat na šest mesecev se izgorelo jedrsko gorivo zamenja s svežim, za kar pa je treba reaktor ustaviti in ohladiti. V Rusiji po tej shemi delujejo Novovoronež, Kola in druge jedrske elektrarne.

V RBMK je moderator grafit, hladilno sredstvo pa voda. Para za turbino se pridobiva neposredno v reaktorju in se tja vrne po uporabi v turbini. Gorivo v reaktorju je mogoče zamenjati postopoma, brez ustavljanja ali ohlajanja.

Tovrstna jedrska elektrarna Obninsk je prva na svetu. Po isti shemi so bile zgrajene elektrarne visoke moči Leningrad, Černobil, Kursk in Smolensk.

Eden od resne težave Jedrska elektrarna je odlagališče jedrskih odpadkov. V Franciji se na primer s tem ukvarja veliko podjetje Kozhem. Gorivo, ki vsebuje uran in plutonij, se v posebnih transportnih zabojnikih – zaprtih in ohlajenih – zelo previdno pošilja v predelavo, odpadki pa v vitrifikacijo in odlaganje.

»Z največjo skrbnostjo so nam pokazali posamezne stopnje predelave goriva, pripeljanega iz jedrskih elektrarn,« piše I. Lagovsky v reviji Science and Life. – Razkladalni stroji, razkladalna komora. Vanj lahko pogledate skozi okno. Debelina stekla v oknu je 1 meter 20 centimetrov. Na oknu je manipulator. Neverjetna čistoča okoli. Bel kombinezon. Mehka svetloba, umetne palme in vrtnice. Rastlinjak s pravimi rastlinami za sprostitev po delu v okolici. Omare z nadzorno opremo IAEA - Mednarodne agencije za atomsko energijo. Operaterska soba - dva polkroga z zasloni - je tam, kjer se nadzoruje razkladanje, rezanje, raztapljanje in vitrifikacija. Vse operacije, vsi premiki zabojnika se dosledno odražajo na zaslonih operaterjev. Sami delovni prostori z materiali visoka aktivnost so precej daleč stran, na drugi strani ulice.

Vitrificirani odpadki so majhni. Zaprti so v jeklene posode in shranjeni v prezračevanih jaških, dokler jih ne odpeljejo na končno odlagališče ...

Zabojniki sami so delo inženirske umetnosti, katere namen je bil zgraditi nekaj, kar se ne da uničiti. Železniške ploščadi, natovorjen s kontejnerji, se iztiril, zabil s polno hitrostjo naprej nasproti prihajajoči vlaki, povzročili še druge možne in nepredstavljive nesreče med prevozom – zabojniki so zdržali vse.”

Po Černobilska katastrofa Leta 1986 so znanstveniki začeli dvomiti o varnosti obratovanja jedrskih elektrarn in zlasti reaktorjev tipa RBMK. Tip VVER je glede tega ugodnejši: nesreča pri Ameriška postaja Otok treh milj leta 1979, kjer se je sredica reaktorja delno stopila, radioaktivnost ni zapustila plovila. Dolgotrajno delovanje japonskih jedrskih elektrarn brez nesreč govori v prid VVER.

In kljub temu obstaja še ena smer, ki lahko po mnenju znanstvenikov človeštvu zagotovi toploto in svetlobo v naslednjem tisočletju. To se nanaša na reaktorje na hitrih nevtronih ali oplodilne reaktorje. Uporabljajo uran-238, vendar za proizvodnjo goriva in ne energije. Ta izotop dobro absorbira hitre nevtrone in se spremeni v drug element - plutonij-239. Reaktorji na hitrih nevtronih so zelo kompaktni: ne potrebujejo niti moderatorjev niti absorberjev - njihovo vlogo igra uran-238. Imenujejo se razmnoževalni reaktorji ali razmnoževalni reaktorji (iz angleška beseda"vzgajati" - množiti). Reprodukcija jedrskega goriva omogoča desetkrat večjo uporabo urana, zato reaktorji s hitrimi nevtroni veljajo za eno od obetavnih področij jedrske energije.

V tovrstnih reaktorjih se poleg toplote proizvaja tudi sekundarno jedrsko gorivo, ki se lahko uporablja v prihodnosti. Tukaj ne v prvem ne v drugem krogu ni visok pritisk. Hladilno sredstvo je tekoči natrij. Kroži v prvem krogu, se segreva in prenaša toploto na natrij v drugem krogu, ta pa segreva vodo v krogu para-voda in jo spreminja v paro. Toplotni izmenjevalniki so izolirani od reaktorja.

Ena od teh obetavnih postaj - dobila je ime Monju - je bila zgrajena v regiji Shiraki na obali Japonskega morja v letoviškem območju štiristo kilometrov zahodno od prestolnice.

»Za Japonsko,« pravi K. Takenouchi, vodja jedrske korporacije Kansai, »uporaba razmnoževalnih reaktorjev pomeni zmožnost zmanjšanja odvisnosti od uvoženega naravnega urana s ponovno uporabo plutonija. Zato je razumljiva naša želja po razvoju in izboljšavah »hitrih reaktorjev« ter doseganju tehnološke ravni, ki bi bila kos sodobnim jedrskim elektrarnam v smislu učinkovitosti in varnosti, razumljiva.

Razvoj oploditvenih reaktorjev bi moral v bližnji prihodnosti postati pomemben program za proizvodnjo električne energije.«

Gradnja reaktorja Monju je druga stopnja v razvoju hitrih nevtronskih reaktorjev na Japonskem. Prva je bila zasnova in konstrukcija eksperimentalnega reaktorja Joyo (kar pomeni " večna luč") z zmogljivostjo 50-100 MW, ki je začel delovati leta 1978. Uporabili so ga za preučevanje obnašanja goriva, novih strukturnih materialov in komponent.

Projekt Monju se je začel leta 1968. Oktobra 1985 se je začela gradnja postaje - kopanje temeljne jame. Med razvojem najdišča je bilo v morje odvrženih 2 milijona 300 tisoč kubičnih metrov kamenja. Toplotna moč reaktorja je 714 MW. Gorivo je mešanica plutonijevih in uranovih oksidov. V jedru je 19 krmilnih palic, 198 gorivnih blokov, od katerih ima vsak 169 gorivnih palic (gorivnih elementov - gorivnih palic) s premerom 6,5 milimetrov. Obdajajo jih radialni bloki za generiranje goriva (172 kosov) in bloki nevtronskega zaslona (316 kosov).

Celoten reaktor je sestavljen kot gnezdilka, vendar ga ni več mogoče razstaviti. Ogromna reaktorska posoda, izdelana iz nerjavečega jekla (premer - 7,1 metra, višina - 17,8 metra), je nameščena v zaščitnem ohišju, če bi se med nesrečo razlil natrij.

»Jeklene konstrukcije reaktorske komore,« poroča A. Lagovsky v reviji »Science and Life«, »lupine in stenski bloki so napolnjeni z betonom kot zaščito. Primarni natrijev hladilni sistem je skupaj z reaktorsko posodo obdan z zasilno lupino z ojačitvami - njen notranji premer je 49,5 metra, višina pa 79,4 metra. Elipsoidno dno te gmote sloni na trdni betonski plošči, visoki 13,5 metra. Lupina je obdana z metrsko in pol dolgo obročasto režo, ki ji sledi debela plast (1-1,8 metra) armiranega betona. Lupinasta kupola je zaščitena tudi s plastjo armiranega betona debeline 0,5 metra.

Po zasilni lupini je zgrajen še en varovalni objekt - pomožni - dimenzij 100 krat 115 metrov, ki ustreza zahtevam protipotresne gradnje. Zakaj ne sarkofag?

V pomožni reaktorski posodi so sekundarni natrijevi hladilni sistemi, parno-vodni sistemi, naprave za polnjenje in praznjenje goriva ter rezervoar za shranjevanje izrabljenega goriva. Turbogenerator in rezervni dizel generatorji se nahajajo v ločenih prostorih.

Trdnost zasilne lupine je zasnovana tako za nadtlak 0,5 atmosfere kot za vakuum 0,05 atmosfere. Vakuum lahko nastane, ko kisik izgori v obročasti reži, če se tekoči natrij razlije. Vse betonske površine, ki lahko pridejo v stik z razlitim natrijem, so popolnoma obložene z jeklenimi ploščami, ki so dovolj debele, da prenesejo toplotne obremenitve. Tako se zaščitijo, če se to morda sploh ne zgodi, saj mora obstajati garancija za cevovode in vse druge dele jedrske naprave.«