1-bob kirish Yadro reaktori uran yoki plutoniyning neytronlari va izotoplari ishtirokida o'z-o'zidan barqaror bo'linish zanjiri reaktsiyasi natijasida ajralib chiqadigan issiqlik energiyasi manbai

1-bob KIRISh Yadro reaktori - uran yoki plutoniyning neytronlari va izotoplari ishtirokida o'z-o'zidan barqaror bo'linish zanjiri reaktsiyasi natijasida ajralib chiqadigan issiqlik energiyasi manbai. Bo'linish jarayoni atom yadrolarining ma'lum energiyaga ega bo'lgan neytronlar bilan o'zaro ta'sirida bo'linishdan iborat. Bunday yadro, masalan, uran dioksidining kristall panjarasida joylashgan 235U atomining yadrosi bo'lishi mumkin. Boʻlinish reaksiyasining birinchi bosqichi neytronning oraliq yadro hosil boʻlishi bilan yutilishi boʻlib, u kuchli beqarorlik tufayli ikki qismga parchalanadi, masalan: 235U + n1 → 95x + 139Y + 2n1. bo'linish natijasida chiqarilgan ikkita neytron, taxminan 200 MeV bo'lgan bo'linish natijasida chiqarilgan energiyaga teng bo'lgan farq mavjud. Ushbu energiyaning asosiy qismi ikkita bo'lakdan keladi. Ular bo'linish nuqtasidan juda katta tezlikda tarqaladilar va to'liq sekinlashguncha qattiq jismda taxminan 10 mkmlik yo'lni bosib o'tadilar. Sekinlashuv yo'lida bo'laklarning barcha kinetik energiyasi muhitning kristall panjarasiga o'tkaziladi. Bunday holda, parchalarning muhit zarralari bilan o'zaro ta'siri tufayli u sezilarli darajada buziladi. Shunday qilib, issiqlik energiyasi parchalar traektori bo'ylab chiqariladi. Bu energiya, shuningdek, parchalanish jarayoni bilan birga keladigan ba'zi boshqa energiya turlari yadro yoqilg'isida ajralib chiqadigan issiqlik energiyasining manbai bo'lib, uni kerakli shaklga aylantirish mumkin. Yoqilg'i elementi (yoqilg'i elementi) reaktor yadrosining asosiy komponentidir. Unda ma'lum miqdorda qattiq yadro yoqilg'isi mavjud. Yadro yoqilg'isi suyuqlikda erigan yoki tarqaladigan bir hil reaktorlar sinfi mavjudligi sababli (sovutish suyuqligi ham shunday suyuqlik bo'lishi mumkin), yonilg'i tayoqlari, shu jumladan metall qoplamalar odatda qabul qilinadi. Yadro energiyasi bo'linishi va taxminan 200 MeV ga teng. Ushbu energiyaning asosiy qismi ikkita bo'lakdan keladi. Ular bo'linish nuqtasidan juda katta tezlikda tarqaladilar va to'liq sekinlashguncha qattiq jismda taxminan 10 mkmlik yo'lni bosib o'tadilar. Sekinlashuv yo'lida bo'laklarning butun kinetik energiyasi muhitning kristall panjarasiga o'tkaziladi. Bunday holda, parchalarning muhit zarralari bilan o'zaro ta'siri tufayli u sezilarli darajada buziladi. Shunday qilib, issiqlik energiyasi parchalar traektori bo'ylab chiqariladi. Bu energiya, shuningdek, parchalanish jarayoni bilan birga keladigan ba'zi boshqa energiya turlari yadro yoqilg'isida ajralib chiqadigan issiqlik energiyasining manbai bo'lib, uni kerakli shaklga aylantirish mumkin. Yoqilg'i elementi (yoqilg'i elementi) reaktor yadrosining asosiy komponentidir. Unda ma'lum miqdorda qattiq yadro yoqilg'isi mavjud. Yadro yoqilg'isi suyuqlikda erigan yoki tarqaladigan bir hil reaktorlar sinfi mavjud bo'lganligi sababli (sovutish suyuqligi ham shunday suyuqlik bo'lishi mumkin), yoqilg'i elementlarini, shu jumladan metall qoplamani qattiq yadro yoqilg'isi sifatida belgilash odatda qabul qilinadi. Bunday yonilg'i elementlarining eng keng tarqalgan shakli uzun silindrsimon novda (1.1-rasm), garchi yonilg'i tayoqchalari ba'zan plitalar shaklida, masalan, tadqiqot reaktorlarida qo'llaniladi. Yoqilg'i elementlarini sovutish va issiqlikni yadrodan issiqlik almashtirgichga olib tashlash, qoplamalar yuzasini yuvadigan sovutish suyuqligining majburiy aylanishi bilan amalga oshiriladi (1.2-rasm). turli turdagi yonilg'i elementlari turli xil reaktorlarda qo'llaniladi, bu esa turli xil dizaynlarga va materiallarni tanlashga boshqa yondashuvga olib keladi. Misol uchun, tadqiqot reaktori yuqori neytron oqimini ta'minlashi kerak va yuqori sovutish suvi haroratini ta'minlashga hojat yo'q. Bunday holda, eng yuqori quvvatga va eng katta issiqlik o'chirish yuzasiga hajmga nisbatan yuqori darajada rivojlangan sirtga ega yonilg'i tayog'ining plastinka geometriyasidan foydalanish va yaxshi neytronli alyuminiy asosidagi yoqilg'idan foydalanish natijasida erishish mumkin. xususiyatlari, lekin past erish nuqtasi afzaldir (.1.3-rasm). Yoqilg'i tayoqlarini ishlab chiqish va takomillashtirishdan oldin reaktorning maqsadi va uning xususiyatlarini aniqlashtirish kerak. Faol zonani yaratish uchun sizga 8+ kerak bo'ladi.

r
eaktor fizikasini, issiqlik uzatish va gidravlikani bilish, strukturaviy elementlarning kuchlanish-deformatsiya holatini tahlil qilish, materiallarning xususiyatlarini, shu jumladan nurlanishning xususiyatlarga ta'sirini o'rganish va boshqa ko'p narsalarni bilish mumkin. Yakuniy dizayn - bu turli xil omillar o'rtasidagi kelishuv yoki optimallashtirish. Yadroni va shuning uchun yonilg'i tayog'ini ishlab chiqish va takomillashtirish jarayoni uzluksizdir. Reaktor yadrosi yonilg'i agregatlaridan (FA) yakunlanadi. Yadro reaktorlari konstruksiyalarining dastlabki ishlanmalarida yadro alohida yonilg‘i novdalaridan iborat bo‘lgan, ammo hozirda yonilg‘i tayoqlarini katta guruhlarga yoki bir-biriga mahkamlangan agregatlarga yig‘ish odatiy hol bo‘lib, ular keyinchalik sovutish suvi oqimini ajratuvchi bo‘lgan korpus yoki kanalga joylashtiriladi. va konstruktiv elementlar (.1.4-rasm) Bosimli suv reaktorlari istisno hisoblanadi, chunki ularning yonilg'i elementlari kanallarga joylashtirilmaydi. Yoqilg'i tayoqchalari yoki atrofiga o'ralgan sim yordamida yoki yonilg'i agregatlarining balandligi bo'ylab bir xil qadam bilan joylashtirilgan metall panjaralar yordamida bir tekis joylashtiriladi. Yoqilg'i agregatlarining quvvati bir necha megavatt bo'lishi mumkin. Kerakli o'lchamdagi TBC faol fon yoqilg'isini yuklash va tushirish imkonini beruvchi tizimli element hisoblanadi.

RASM 1.3. Uran-alyuminiy qotishma yoqilg'isi bo'lgan plastinka tipidagi yonilg'i tayoqchasining (tadqiqot reaktorlarida qo'llaniladigan) umumiy ko'rinishi va uning reaktor yadrosidagi alohida yonilg'i tayog'i birikmalarining tasviri


Yonilg'i aylanishining oraliq bosqichidir (lekin eng muhimi). shu jumladan yoqilg'i qazib olish, uni rudadan qazib olish, uranni boyitgandan so'ng, yonilg'i tayoqlari va yoqilg'i komplektlarini ishlab chiqarish, ularni reaktor yadrosida nurlantirish, uran va plutoniyni olish uchun radiokimyoviy qayta ishlash, shuningdek, parchalanish mahsulotlarini va ularni kimyoviy barqarorlikka aylantirish. keyingi dafn bilan shakl. Yoqilg'i aylanishining barcha bu bosqichlari bir-biriga juda boshqacha ta'sir qiladi. Biroq, ushbu kitobning maqsadi yonilg'i tayoqlarida ishlatiladigan materiallarni tavsiflash, konstruktsiyalarni yaratish yo'llarini ko'rib chiqish va har xil turdagi reaktorlar uchun yonilg'i tayoqlarining ishlashini tahlil qilishdir. Boshqa ishlar [1] butun yonilg'i aylanishining to'liq tavsifiga bag'ishlangan. Taelning ishlashini faqat yadroviy bo'linish jarayonining xususiyatlarini, parchalanish bo'laklarining kimyoviy va yadroviy xususiyatlarini, ularning yoqilg'i va qoplamaga kimyoviy va fizik ta'sirini, issiqlik va massa jarayonlarini batafsil tushunish orqali to'liq tushunish mumkin. bo'linish paytida issiqlik energiyasini chiqarish bilan bog'liq transfer , sovutish suvi, yoqilg'i va qoplama o'rtasidagi kimyoviy reaktsiyalarda. Bularning barchasini tushunish uchun jismoniy jarayonlarning termodinamikasini va kinetikasini (atomlarning tarqalishi, nuqsonlarning shakllanishi va xatti-harakati), shuningdek, issiqlik uzatish va stress tahlilini tushunish kerak. Tvzlning fizik va kimyoviy holatlari hech qachon doimiy emas; bo'linish tezligi doimiy bo'lsa ham, bo'linish mahsulotlari hosil bo'ladi, harakatlanadi, klasterlar hosil qiladi, shu bilan birga, qobiqlardagi atom nuqsonlari harakatlanadi, klasterlar hosil qiladi yoki yo'q qilinadi yoki diffuziya va sudralma kabi jismoniy jarayonlar tezligini o'zgartiradi (2, 3].Jarayonlar Yadro markazida boʻlinish tezligi maksimal boʻlib, neytronlarning oqishi (1.5-rasm) tufayli periferiyaga qarab kamayadi.
A
gar yadro va qoplama materiali haroratga, parchalanish tezligiga yoki neytron oqimiga bog'liq bo'lsa, reaktor yadrosining turli qismlaridagi materiallar o'z xususiyatlarini turli yo'llar bilan o'zgartiradi. Bu holat, ayniqsa, yonilg'i xujayrasi dizaynini ishlab chiqish va takomillashtirishni murakkablashtiradi. Yuqori radioaktivlik inson va hayvonlar salomatligiga tahdid soladi. Yadroni litsenziyalashda, ya'ni. Reaktor zavodini ishlab chiqarish va ishlatish uchun ruxsat olishda, birinchi navbatda, yonilg'i tayoqlari barcha parchalanish mahsulotlari va aktinidlarning ishonchli saqlanishini ta'minlashi kerak. Qobiq birinchi himoya elementidir. Shuning uchun yoqilg'ida parchalanish bo'laklarining tarqalishi, qoplamaning yaxlitligi va ishlash chegaralari, shuningdek, qoplamada nuqson yoki yoriq paydo bo'lishiga olib keladigan omillar haqida iloji boricha ko'proq bilish kerak. Ideal yonilg'i xujayrasi ishlab chiqarish uchun arzon, ishonchli va xavfsiz bo'lishi kerak. Yadro reaktorlari katta kapital xarajatlarni talab qiladi va aynan yonilg'i aylanishining arzonligi ularni boshqa manbalar bilan ishlab chiqarilgan energiya qiymati bo'yicha solishtirish imkonini beradi. Yuqoridagilarni hisobga olgan holda, texnologik jihatdan maqbul va ommaviy sanoat ishlab chiqarish uchun maqbul bo'lgan yonilg'i xujayrasi dizaynini yaratishga harakat qilish kerak.

Rasm 1.5. Reaktor yadrosida neytron oqimining taqsimlanishining tabiati shakl. 1.6. Ishlamay qolgan yonilg'i birliklari sonining taqsimlanish xarakterining yonish yoki ish vaqtiga bog'liqligi: I - erta nosozliklar maydoni; II - normal ishlash maydoni; III - suvning dizayn chegaralaridan oshib ketishi natijasida yuzaga kelgan nosozliklar maydoni va juda yaqin dastlabki xususiyatlarga ega yoqilg'ining chiqishini ta'minlashga imkon berdi.

Bunday yonilg'i tayoqchalari uzoq xizmat qilish muddatiga ega bo'lishi kerak va yonilg'i tayoqlarining individual muddatidan oldin ishdan chiqishi reaktorning to'xtab qolishiga olib kelmasligi kerak, chunki reaktorning majburiy to'xtab qolish muddati juda qimmat: masalan, 1980 yilda reaktor to'xtatilgan (AQSh). 1000 MVt quvvatga ega bo'lgan loyiha taxminan 500 000 000 AQSh dollarini tashkil etadi bir kunda. + Yoqilg'i tayoqlarini yo'q qilishning ularning quvvat bilan ishlash vaqtiga yoki yonib ketishiga bog'liqligi odatda bir uchida qisqa novda bilan o'xshash shaklga ega, bizni qiziqtiradigan bu novda (1.6-rasm). Ishlash jarayonida reaktorlarning kuchi o'zgaradi va bu nafaqat reaktorning quvvatga etib borishi va uni o'chirib qo'yishi bilan bog'liq, balki reaktor normal darajada ishlaganda ham kuchning zaif o'sishi ham mavjud. Tazlalar bu quvvat davrlarining barchasiga sezilarli zarar yetkazmasdan bardosh berishi kerak. Bu holda zarar, shakldagi qobiqdagi nuqsonning ko'rinishini anglatadi
Yoqilg'i tayoqlarini yo'q qilishning ularning quvvat bilan ishlash vaqtiga yoki yonib ketishiga bog'liqligi odatda bir uchida qisqa novdasi bo'lgan U shakliga ega, bizni qiziqtiradigan bu novda (1.6-rasm). Ishlash jarayonida reaktorlarning kuchi o'zgaradi va bu nafaqat reaktorning quvvatga etib borishi va uni o'chirib qo'yishi bilan bog'liq, balki reaktor normal darajada ishlaganda ham kuchning zaif o'sishi ham mavjud. Yoqilg'i tayoqlari sezilarli darajada zarar to'plamasdan, barcha ushbu quvvat davrlariga bardosh berishi kerak. Bu holda zarar kichik o'lchamdagi ko'r teshik yoki kichik yoriq shaklida qobiqdagi nuqsonning paydo bo'lishini anglatadi, bu qobiqning progressiv yo'q qilinishiga olib kelmasligi kerak. Buni quyidagi misol bilan ko'rsatish mumkin: uran metalli suvda saqlanganida oksidlanadi, reaksiya mahsulotlari esa hajmi sezilarli darajada oshib, ko'r teshik yoki yoriq shaklida dastlabki nuqsonning progressiv ochilishiga olib keladi. Metall yoqilg'idan farqli o'laroq, uran dioksidi suv bilan juda sekin reaksiyaga kirishadi va tijoriy engil suv reaktorlarida ishlatiladigan muddatidan oldin bosimsizlangan zirkaloy bilan qoplangan UO2 yonilg'i tayoqlari odatda reaktor rejalashtirilgan to'xtatilgunga qadar yadroda qoladi. Yoqilg'i elementi reaktorning normal ishlashidan turli xil og'ishlarning ta'siriga maksimal darajada moslashtirilishi kerak, masalan, sovutish suvi yo'qolishi yoki quvvatning oshib ketishi bilan sodir bo'lgan avariya. Bunday baxtsiz hodisalarda yonilg'i qoplamasi erishi mumkin, shuningdek qisman yoki to'liq erishi va tutunga aylanishi mumkin. Bunday baxtsiz hodisalar oqibatlarini minimallashtirish uchun biz ushbu jarayonlarni batafsil tushunishga harakat qilishimiz kerak. Eng ishonchli yonilg'i tayoqlarini, shu jumladan favqulodda vaziyatlarda, ayniqsa tez reaktorlar uchun yaratishga urinishlar qilindi. Downry Fast Reactor-da avariya yuz berganda blokirovkani kamaytirish uchun halqa shaklidagi yoqilg'ida erituvchi rishtalarni yaratish g'oyalari sinovdan o'tkazildi.1 Ushbu reaktor nosozliklar tufayli hozirda ishlamayapti. Ushbu + th reaktorning yonilg'i tayoqlari bobda batafsilroq ko'rib chiqiladi.
* Ushbu reaktor nosozliklar tufayli hozirda ishlamaydi. Ushbu reaktorning yoqilg'i elementlari bobda batafsilroq muhokama qilinadi. o'n. 12 yadroli kesma. Ichki va tashqi qoplamalarda turli xil materiallarga ega yoqilg'i tayoqchalari ishlatilgan. Harorat ko'tarilgach, ichki qoplamaning materiali yoqilg'i bilan reaksiyaga kirishib, past eriydigan birikma hosil qiladi va birinchi bo'lib eriydi (10-bobga qarang). . Xavfsizlik va litsenziyalash o'rtasidagi bog'liqlikni ko'rsatadigan eng muvaffaqiyatli misol - bu yonilg'i xujayrasi ishining dastlabki bosqichida uran dioksidining zichligi o'zgarishi. Ushbu post-sinterlash muammosi - UOz nurlanishning dastlabki bosqichida qobiqning barqarorligini yo'qotishi va engil suvli reaktorlarda yonilg'i tayoqlarining muddatidan oldin bosimsizlanishiga sabab bo'ldi. Geliy bilan bosim o'tkazish orqali bu muammoni hal qilishning oddiy urinishi ish bermadi. Sinterlashdan keyingi jarayonni batafsilroq o'rganish reaktorda sinterlashdan keyingi sinterlanishga tobe bo'lmagan sinterlangan uran dioksidi granulalarini ishlab chiqishga olib keldi. Ushbu holat bobda batafsilroq muhokama qilinadi. sakkiz. Odatda reaktorni boshqaruvchi yonilg'i tayoqchalarini ishlab chiqmaydi yoki ishlab chiqarmaydi. U ishlash talablarini belgilaydi, ularning muhim qismi rejalashtirilgan kuyishning ta'rifidir. Yoqilg'i etkazib beruvchilari narxni spetsifikatsiya talablari asosida belgilaydi; eng past narxni taklif qiluvchi ishlab chiqaruvchi ham yoqilg'ini ta'minlaydi, odatda kuyish kafolati bilan. Iste'molchi tomonidan rad etilgan yoqilg'i tayoqchalari yetkazib beruvchi tomonidan almashtiriladi. Reaktor iqtisodiyoti va yonilg'i tayoqlarining yaxlitligi o'rtasidagi o'ta sezgir munosabatni hisobga olgan holda, bu tizim yagona maqbuldir.