Принцип работы ядерного реактора

В настоящее время самым мощным источником энергии на нашей планете является ядерный реактор. Атомные электростанции (АЭС) функционируют в более чем 30 странах мира и их количество приближается к 200. 

Что такое ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит постоянная контролируемая ядерная реакция с целью получения электроэнергии.

Другими словами, это устройство, внутри которого происходит превращение одного вещества (ядерное топливо) в другое (пар) с выделением огромной тепловой энергии.  

История создания 

Развитие ядерной энергетики связано с именем французского химика Антуана Анри, который занимался изучением урана и обнаружил его радиоактивность. Позже Пьер и Мария Кюри смогли выделить из солей урана полоний и радий. 

Первая ядерная установка была создана в США Э. Ферми в 1942 году. В 1945 году вторым выпущенным в мире реактором стал ZEEP в Канаде. А в 1946 году под руководством И. В. Курчатова ядерный реактор сконструировали и в СССР. Первые такие устройства сильно отличались от современных, они не имели системы охлаждения и обладали минимальной мощностью. Но они дали толчок к развитию атомной энергетики во всем мире. Первая атомная электростанция была построена в Обнинске. 

Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата

Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:

1. Активная зона, в которой находятся ядерное топливо и замедлитель быстрых нейтронов. В этой зоне происходит управляемая реакция деления ядер. В качестве замедлителя может использоваться обычная вода, "тяжёлая" вода, жидкий графит и др. 
2. Отражатель нейтронов вокруг активной зоны. 
3. Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др. 
4. Система управления ядерной реакцией. Представляет собой стержни, содержащие кадмий и бор. Для регулирования скорости реакции их при необходимости вводят в активную зону для поглощения лишних нейтронов. 
5. Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение. 
6. Система дистанционного управления. 

Принцип работы 

Работу реакторной установки можно сравнить с функционированием обычной печи. Только используются не уголь и дрова, а ядерное топливо. В отличие от печи, пламени не видно, так как реакция происходит на уровне деления ядер. Ядра распадаются на мелкие частицы, которые в свою очередь становятся источниками образования нейтронов. За счет этого процесса происходит высвобождение большого количества энергии. Освобожденная энергия нагревает воду, преобразуя ее в пар. Пар вращает турбину генератора, преобразуя энергию движения в электроэнергию. 

Данная схема наглядно иллюстрирует принцип работы реакторной установки:

Основной функцией обслуживающего персонала АЭС является регулирование скорости ядерной реакции с помощью системы управления в виде стержней, которые операторы вводят в активную зону.

Типы ядерных реакторов, какие бывают

Существует несколько классификаций ядерных реакторов:

• по типу конструкции;
• по способу генерации пара;
• по размещению топлива;
• по спектру нейтронов. 

По типу конструкции реакторы бывают:

1. Контурные. Активная зона в таком типе реактора находится в цилиндрическом корпусе с толстыми стенками. 
2. Канальные. Активная зона представляет собой систему герметичных каналов, не зависящих друг от друга. 

По способу генерации пара реакторы делятся на:

• водо-водяные (с внешним парогенератором), где в качестве замедлителя и теплоносителя используется обычная вода;
• кипящие, где пар генерируется в активной зоне и затем направляется в турбину. 

В зависимости от того, где в реакторе находится топливо, они бывают:

• гетерогенные (топливо в активной зоне размещено блоками, заместитель находится между ними);
• гомогенные (топливо и замедлитель — это однородная смесь). 

По спектру нейтронов бывают:

• на медленных нейтронах (тепловой реактор);
• на быстрых нейтронах (быстрый);
• на промежуточных нейтронах;
• реактор смешанного типа. 

Также реакторные установки различаются между собой по виду топлива, теплоносителя и замедлителя.

Какое топливо используют для ядерных реакторов

Для ядерных реакторов применяют следующие виды топлива:

• изотопы урана 235U, 238U, 233U;
• изотоп плутония 239Pu, также изотопы 239-242Pu в виде смеси с 238U;
• изотоп тория 232Th (посредством преобразования в 233U). 

По степени обогащения топливо бывает:

• природным;
• слабо обогащенным;
• высоко обогащенным. 

По химическому составу подразделяется на:

• металлический уран;
• диоксид урана;
• карбид урана и т. д.

Области применения реакторов

Ядерные реакторы используются прежде всего на атомных электростанциях для получения электроэнергии. Тепловая мощность таких устройств достигает 5 ГВт.

Энергетические реакторы также применяются для работы некоторых видов транспортных средств, в частности, подводных лодок, надводных кораблей, космических аппаратов.

Реакторные установки в промышленных целях используют для опреснения морской воды и производства ядерного оружия.

Выделяют также 2 специальных типа реакторов, которые нужны для дальнейших изучений в атомной энергетике:

• экспериментальные (необходимы для проектирования и дальнейшей эксплуатации ядерных реакторов, их мощность всего несколько КВт);
• исследовательские (используются для изучения потока нейтронов, мощность реакторов такого типа более 100 МВт).

Тема реакторов крайне сложна. Вот почему, чтобы разобраться с ней, понадобится много времени и сил. А Феникс.Хелп тем временем подстрахует вас с другими предметами.