Процессы в ядерном реакторе
Доброго времени суток. Хочу немного рассказать о том, как работает ядерный реактор, а конкретно о том, что происходит с нейтронами в активной зоне. Не пугайтесь названия поста, все будет предельно просто!
Реакторы бывают разные. В данной статье описывается самый распространённый тип - ВВЭР.
Ядерный реактор часто сравнивают с бочкой, в которой нагревается вода. Вода превращается в пар, который толкает лопатки турбины, крутит ротор и в генераторе вырабатывается энергия.
Вот принципиальная схема АЭС, которую многие видели и останавливаться на ней не будем.
Было уже много постов по работе АЭС, а речь моего рассказа пойдет о тех процессах, которые происходят в самом реакторе и о нейтронах, благодаря которым все это дело работает.
Начнем по порядку.
Корпус реактора - большая высокотехнологичная бочка. В России такую бочку изготавливает предприятие Атоммаш. Один корпус делается в течении нескольких лет(есть точные цифры, но не помню). Почему так долго? Корпус реактора - это такая вещь, которую в случае поломки не починить. Если где-то что-то отвалится в процессе эксплуатации, это будет как минимум финансовая катастрофа. А учитывая то, что работать реактор будет половину века с перерывами на ремонт 1 месяц в год под огромным давлением, штука эта и вправду невероятная (и дорогая).
Идем дальше
В корпусе находится дистиллированная вода, но не просто вода, а смешанная с другими веществами. Самые важные добавки: аммиак и борная кислота.
Зачем в воде нужен аммиак?
Есть такая штука, как радиолиз воды. Это процесс при котором молекулы воды при воздействии нейтронов распадается на водород и кислород. Я думаю почти все знают, что нейтроны в реакторе делят уран. А вот, что нейтроны делят воду, многие не догадываются. Вот картинка для людей помнящих/знающих химию:
Так вот в результате радиолиза в реакторе появляется кислород. В чем же проблема? Посмотрите это короткое видео
Кратко говоря, с наличием кислорода появляется коррозия металла и корпусу реактора, а так же другим материалам будет не сладко.
Так зачем нужен аммиак? Под воздействием нейтронов он распадается на азот и водород:
Так за счет появления большого количества водорода происходит обратный процесс радиолиза воды: водород и кислород взаимодействуют и превращаются в молекулы воды обратно. Иными словами, когда водорода или кислорода слишком много, больше уже появиться не может, а так как кислород нам не нужен, мы делаем очень много водорода, который не так вреден, но поменьше кислорода. Правда водород хорошо горит и все равно приходится очищать от него реакторную воду.
А зачем борная кислота?
Я думаю вы слышали о стержнях регулирования в реакторе, которые поглощают излишние количество нейтронов, таким образом управляя реактором. Так вот борная кислота делает тоже самое, только она жидкая и растворена в воде. Если нужно понизить мощность, воду разбавляют ею, если повысить, её удаляют. Это называется борное регулирование. Кстати, в основном небольшие изменения мощности регулирует именно ей. Только пока она растворенная доплывёт до активной зоны, можно чай попить и покурить, поэтому сначала опускают стержни, а потом когда борная кислота доплыла до активной зоны, стержни подымают обратно.
Теперь о топливе.
В реакторе в воде находится топливо, которое помещено в герметичные трубки - твэлы. А само топливо выглядит как таблетки примерно размерном так 1 см на 1 см.
Видите внутри таблеток просверлены отверстия? Напишите в комментариях, как вы думаете зачем они. Лично мне факт их наличия кажется забавным, хоть и логичным.
Таблетка - это диоксид урана. Есть и другие виды. Простой металлический уран не используется, потому что плавится, трескается и т.д.
А теперь самое важное. Что же происходит в реакторе с физической точки зрения?
Есть два изотопа урана: 235 и 238. Да вы и сами же знаете, что 235 делится, а 238 нет, поэтому используют обогащенный уран с большим содержанием именно ядер урана-235.
Когда 1 сторонний нейтрон попадёт в ядро урана, ядро распадётся на два случайных осколка. Кинетическая энергия этих осколков нагревает воду, что нам и необходимо. А еще вылетит в среднем 2-3 новых нейтрона, которые будут делить новые ядра урана-235. И такой процесс будет продолжаться, пока есть необходимая среда.
Для наглядности вот вам картинка.
Только вот есть проблема. Делений в течении времени всё больше и больше, а мощность все выше и выше. Как же не взлететь на воздух? Так вот лишние нейтроны нужно убирать из активной зоны. Для этого есть как раз стержни и борная кислота, которые имеют свойство поглощать нейтроны.
Необходимо, чтобы сколько новых нейтронов появилось, только старых поглотилось или по другому, в течении времени количество нейтронов должно быть неизменно. В таком случае реактор будет находится в состоянии, которое называется критика. Его мощность будет постоянна и все будет хорошо.
Кстати, еще вопрос на подумать. Какая теоретическая мощность может быть у реактора? Напишите в комментарии, что думаете. Лично для меня ответ удивителен, но вполне логичен.
Теперь вроде все хорошо, только вот нейтрон необязательно может поделить ядро урана, рядом с которым он находится, есть только некая вероятность. И эта вероятность может быть слишком низкая, что не позволит работать реактору. Есть два способа это исправить.
Первый способ - увеличить концентрацию урана 235 до предела, чтобы у нейтронов выбора не было куда им попадать и что делать. Дорого, не всегда эффективно (но есть реактора, которые так работают).
Второй способ - использовать замедлитель.
Дело в том, что нейтрон рождается очень быстрым, а нейтроны и ядра не твердые камушки, которые разламываются от сильного столкновения. Тут совсем другие процессы.
Чем дольше нейтрон находится рядом с ядром урана, тем больше вероятность, что он его поделит, а не пролетит мимо. Грубо говоря, нужно уменьшить скорость нейтронов, чтобы сделать деление боле эффективным.
Чтобы уменьшить скорость нейтронов и нужен замедлитель - вещество, через которое пролетает нейтрон и передаёт ему свою кинетическую энергию, замедляясь до нужно скорости. А потом медленный(тепловой) нейтрон уже спокойной подлетает к ядру делит его.
В реакторе ВВЭР замедлитель является водой. Это та же самая вода, что и теплоноситель, который нагревается за счет цепной реакции деления. Два в одном. Очень удобно.
Возможно многое вы уже знаете, а что вы знаете об уране-238 в реакторе?
Раз от него пытаются избавиться в пользу урана-235, наверное, это просто ненужный мусор? Совершенно... не верно!)
У него есть 2 функции.
Первая: он все же может делиться, просто очень плохо и цепная реакция на нем не получится. Но когда он делится, появляются много не простых нейтронов, а так называемых запаздывающих. Он так называются, потому что появляются не сразу, а вылетают через время из осколка деления урана-238. И зачем это нужно? Если не вдаваться в физику, благодаря таким нейтронам мощность в реакторе возрастает медленно, а не быстрыми скачками и поэтому можно успевать регулировать скачки мощности, поддерживая критическое состояние реактора. Без этих нейтронов реактор бы никогда не построили - он наверное бы сразу взрывался =)
Кстати, уран-235 тоже испускает запаздывающие нейтроны, просто их не так много, как у урана-238.
Вторая функция урана 238: Это тоже топливо! Нет-нет, не потому что он может делиться, как и уран 235 (хотя и потому тоже). Дело в том, что почти все ядра химических элементов с какой-то вероятностью не только делятся при взаимодействии с нейтронами. Они могут нейтроны поглощать! Например, у урана-238 в сумме 238 нейтронов и протонов. Когда ядерно урана-238 поглотит нейтрон, получится ядро, у которого в сумме 239 нейтронов и протонов(на 1 нейтрон больше). Что это за ядро? Не рассматривая промежуточные процессы, получится ядро плутония-239. А плутоний это вполне себе ядерное топливо, которое отлично делится нейтронами. А даже если ядро плутония не поделится, а захватит нейтрон, оно станет плутонием-240, потом плутонием-241 и т.д. и шансов превратиться в неделимый материал у него мало. В этой цепочки какой-нибудь плутоний все равно поделится.
С ураном-235 в случае поглощения происходит аналогичная ситуация.
В ходе этих упрощенно описанных процессов работает ядерный реактор до тех пор, пока урана не останется мало, а осколков деления урана много. Осколки деления поглощают нейтроны, мешая работе реактора и когда их становится слишком много(а их руками не вытащить), а урана в процессе выгорания мало, дальнейшая кампания реактора становится не возможной.
Я еще много что хотел бы написать, но я устал =) Надеюсь кому-нибудь понравится данный пост. (может быть моему единственному подписчику). Если кто прочтёт до конца, обязательно напишите ваше мнение на вопросы из текста ( только не гуглите).