Лекция №15. Ядерные (атомные) реакторы
Реактором называется устройство, в котором поддерживается управ-ляемая цепная реакция деления. При работе реактора происходит выделение тепла за счет экзотермичности реакции деления. Основной характеристикой реактора является его мощность – количество тепловой энергии, выделяю-щейся в единицу времени. Мощность реактора измеряете в мегаваттах (106 Вт). Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3,1016 актов деления в секунду. Имеется большое количество разных видов реакторов. Одна из типичных схем теплового реактора изображена на рис. 10.6.
Рис. 10.6. Схема гетерогенного теплового реактора
Основной частью реактора является активная зона, в которой протекает реакция и тем самым выделяется энергия. В тепловых реакторах и в реакторах на промежуточных нейтронах активная зона состоит из горючего, как правило, смешанного с неделящимся изотопом (обычно 238-U) и из замедлителя. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах замедлителя нет.
Объем активной зоны варьируется от десятых долей литра в некоторых реакторах на быстрых нейтронах до десятков кубометров в больших тепловых реакторах. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму (например, цилиндр с высо-той, примерно равной диаметру, или куб).
В зависимости от относительного расположения горючего и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные реакторы.
Примером гомогенной активной зоны может служить раствор уранил-сульфатной соли (U2SO4) в обычной или тяжелой воде. Более распростране-ны гетерогенные реакторы. В гетерогенных реакторах активная зона состоит из замедлителя, в который помещаются кассеты, содержащие горючее. По-скольку энергия выделяется именно в этих кассетах, их называют тепло-выделяющими элементами или сокращенно ТВЭЛами. Активная зона с от-ражателем часто заключается в стальной кожух.
Tехнические основы использования ядерной энергии
Топливный цикл. Топливный цикл - комплекс операций на предпри-ятиях ядерной энергетики, таких как добыча и переработка руды, обогащение урана изотопом U-235, приготовление ядерного топлива, фабрикация топлив-ных элементов и сборок, переработка выгоревшего топлива, захоронение радиоактивных отходов.
Топливо. Топливом ядерных реакторов является либо естественный уран, в котором концентрация урана-235 составляет 0,7 % либо "обогащен-ный" уран, т.е. уран, в котором концентрация изотопов урана-235 достигает 2,3,4 или более процентов. Обогащение урана изотопом U-235 до высоких концентраций осуществляется на специальных заводах за счет использования различия масс изотопов урана в процессах газовой диффузии или при центрофугировании. Типичное топливо реакторов имеет форму окиси урана UO2, в виде таблеток спеченной окиси урана диаметром 9-10 мм, заключен-ных в цилиндрическую защитную оболочку из циркониевого сплава.
Теплоносители реакторов. Теплоноситель служит для отвода тепла из активной зоны реактора. Большое распространение в энергетических реакто-рах получила вода, которая за счет большой теплоемкости не требует боль-ших расходов, но требует повышенного давления. Вода в активной зоне реактора нагревается и, циркулируя по контуру под действием насосов, отдает тепло в парогенераторах воде второго контура, пар которой направля-ется в турбины и где его тепловой потенциал используется для совершения работы вращения электрогенератора. В кипящих водоводяных или графи-товых реакторах пар генерируется непосредственно в активной зоне и после сепарации, отделения капель влаги, направляется в турбины, где срабатыва-ется его потенциал. В реакторах на быстрых нейтронах используется в качестве теплоносителя жидкий натрий, циркулирующий по контуру под давлением 5-8 атм.
Замедлители реакторов. В энергетических реакторах замедлителями служат простая или тяжелая вода D2O или графит. В реакциях для космичес-ких исследований замедлителем служит окись бериллия.