Как работает атомный реактор?

Ядерный реактор позволяет вызвать цепную реакцию деления ядра и контролировать ее интенсивность. Для проектирования ядерного реактора необходимы четыре основных компонента:

• топливо, в котором происходит деление;
• жидкий или газообразный теплоноситель, который отводит тепло из активной зоны реактора, чтобы затем привести в действие турбину (турбогенератор), позволяющую производить электричество;
• замедлитель (кроме реакторов на быстрых нейтронах), который замедляет нейтроны, чтобы способствовать цепной реакции;
• средство контроля цепной реакции.

Есть два подхода к проектированию реакторов:

• -управляющие стержни, изготовленные из материалов, поглощающих нейтроны, которые более или менее приспособлены для входа в активную зону реактора;
• -растворенные в воде вещества, концентрация которых может изменяться со временем (например, бор в форме борной кислоты).

Цепная реакция сохраняется, если количество нейтронов, образующихся при делении тяжелых атомов, равно количеству нейтронов, которые исчезают.

Деление включает разрушение тяжелых ядер, таких как уран-235 или плутоний-239. Под действием нейтрона тяжелые ядра разделяются на два атома меньшего размера, выделяя энергию и дополнительные нейтроны. Именно эта энергия используется в ядерных реакторах. Освободившиеся нейтроны могут затем ударить другой тяжелый атом, который, в свою очередь, разделится на две части и т. д. Это и есть цепная реакция.

Цепная реакция поддерживается в активной зоне реактора, если количество нейтронов, образующихся при делении тяжелых атомов, равно количеству нейтронов, которые исчезают (например, поглощаются ураном 238). Отношение этих двух чисел (производство делится на исчезновение) называется коэффициентом умножения (или «критичностью») и должно быть равно 1.

Если это соотношение меньше 1, то нейтроны исчезают быстрее, чем образуются, и цепная реакция остановится, и реактор тоже: тогда активная зона считается «подкритической».

И наоборот, если коэффициент размножения больше 1, то количество нейтронов, присутствующих в активной зоне, будет очень быстро увеличиваться, что приведет к увеличению количества делений и выделяемой энергии. Таким образом, цепная реакция будет унесена. Реактор считается «сверхкритическим».

Некоторые технологии могут преобразовывать энергию реакции деления в электричество.

Они характеризуются семейством по основным компонентам: топливо, замедлитель (или отсутствие замедлителя) и теплоноситель.

Более 80% эксплуатируемого в мире атомного флота состоит из реакторов типа PWR и BWR.

В настоящее время в мире развиты три основных сектора.

«Обычная» или «легкая» водная система и уран, обогащенный по U235.

В этом секторе есть два типа реакторов: реакторы с водой под давлением или под давлением (PWR или PWR) и реакторы с кипящей водой (BWR или BWR). Более 80% эксплуатируемого в мире атомного парка составляют реакторы, эксплуатируемые в этом секторе.

Реакторы PWR являются наиболее часто используемыми в мире (69% текущего парка установленной мощности) и оборудуют все французские атомные электростанции (58 реакторов в эксплуатации) В реакторах типа PWR и BWR вода играет роль теплоносителя и замедлителя.

Сектор тяжелой воды и природного урана.

Во многих вариантах в этих каналах используется топливо с небольшим обогащением или без него и замедлитель, которым является «тяжелая» вода (оксид дейтерия) Крупными странами, использующими этот канал, являются Канада и Индия. Франция управляла заводом этого типа в Бреннилисе в Бретани. Сейчас он выведен из эксплуатации и демонтируется.

Топливная система на быстрых нейтронах, плутонии и природном уране.

В этом процессе в качестве топлива используется уран-238 99,28% природного урана превращенный в плутоний-239 за счет поглощения быстрых нейтронов. Произведенный плутоний сам расщепляется некоторыми нейтронами.

Этот сектор, который до того, как был прекращен, активно развивался во Франции, представляет собой путь вперед, поскольку он позволяет организовать цепную реакцию с плутонием, полученным при переработке отработанного топлива всех типов, и преобразовать уран-238 в плутоний. Эти реакторы поэтому производят больше делящегося материала, чем потребляют, и, следовательно, позволяют гораздо лучше использовать природную руду. Короче говоря, они умножают на 70 энергоемкость полезных ископаемых планеты.

Так называемые секторы «графит-газ», первоначально разработанные в Европе (в основном в Соединенном Королевстве), и которых есть много примеров в мире, больше не развиваются. Они используют графит в качестве замедлителя, природный или слегка обогащенный уран в качестве топлива и CO 2 (или даже гелий) в качестве хладагента.

Независимо от сектора, различные типы реакторов, которые постепенно совершенствовались, были разделены на категории, называемые «поколениями». Каждое поколение приносит прогресс в использовании топлива, ядерной безопасности и сокращении неудобств и отходов. Строящиеся в настоящее время станции относятся к поколению III, но станции поколения II все еще находятся в стадии строительства. К этому поколению принадлежит большинство действующих в мире электростанций.

Водяной "обыкновенный"(в основном 2- е поколение).

В реакторах PWR, как и в BWR, активная зона реактора с ядерным топливом помещается в корпус, который сам находится в контакте с водой. Цепная реакция нагревает топливные сборки, которые затем нагревают воду, называемую «первичной» водой. Оказывая сильное давление (155 атмосфер), компенсатор давления предотвращает кипение этой воды. Таким образом, «первичная» вода остается в жидкой форме.

Благодаря первичным насосам «первичная» вода циркулирует по замкнутому контуру между корпусом реактора и парогенератором (ПГ). GV это теплообменник, который обеспечивает передачу тепла от воды в первичном контуре к воде во вторичном контуре. Вторичная вода, которая никогда не будет контактировать с топливом, подвергается гораздо более низкому давлению (70 атмосфер) и закипит. Затем произведенный пар направляется в турбогенератор. При работе от пара турбогенератор вырабатывает электричество.

На выходе из турбогенератора пар преобразуется обратно в воду в «конденсаторе», охлаждаемом морской или речной водой или свежим и влажным воздухом, который врывается в бетонные башни, называемые «охладителями воздуха» Таким образом, эта вода представляет собой третий контур, полностью независимый от вторичной воды.

Вторичная вода возвращается в ядерный реактор, где снова превращается в пар, замыкая цикл.

Реакторы с кипящей водой (BWR)

В BWR, в отличие от реактора PWR, нет вторичной воды, вода, нагретая тепловыделяющими сборками, закипает внутри самого корпуса.

Произведенный пар передается в турбогенератор по «паровым» трубам (вода, которая не испарилась, рециркулирует в активной зоне реактора с помощью рециркуляционных насосов). Приведенный в действие паром, турбогенератор вырабатывает электричество. Затем пар следует по тому же циклу, что и в PWR. Он повторно конденсируется в конденсаторе, охлаждаемом независимым контуром, и возвращается в активную зону реактора.

В реактор загружается, в зависимости от его типа, обогащенный (изотопом 235) уран или не обогащенный (реактор на быстрых нейтронах). Возможно использование плутония. При захвате ядром медленного нейтрона происходит деление ядра на осколки с вылетом более одного нейтрона. Эта реакция сопровождается выделением энергии, которая в миллионы раз больше энергии химических реакций. Вылетевшие нейтроны, попадая в соседние ядра, вызывают их деление с вылетом дополнительных нейтронов и т.д. Если большинство нейтронов будет попадать в ядра (а не вылетать наружу), и если процессом не управлять, то получится ядерная бомба. А в реакторе число нейтронов жестко контролируется, коэффициент размножения их поддерживается чуть больше единицы. И тогда скорость выделения теплоты такая, что ее можно эффективно отводить и использовать для нагрева воды, которая превращается в пар. Дальше - как в обычной тепловой электростанции, работающей на газе, угле и т.п.

Самый простой способ объяснения как работает ядерный реактор типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)

Чтобы это понять вспомните принцип работы самовара.

Все абсолютно тоже самое.

Емкость в которую наливают воду внутри, которой находится топка.

Разница в том, что вода в самовар нагревается от горящей деревянной щепы, а в реакторе от энергии деления ядер урана.

Ну только если очень просто: есть топливо(тяжелые элементы). Это топливо помещается в устройство, в котром происходит управляемая цепная реакция, деления этих элементов. В процессе деления образуется тепловая энергия. она то нам и требуется. Остальное- технические моменты.