25 Δεκεμβρίου 2013
Στάδιο φυσικής εκκίνησης του αντιδραστήρα BN-800 για γρήγορα νετρόνιαξεκίνησε σήμερα στον πυρηνικό σταθμό Beloyarsk, δήλωσε στο RIA Novosti εκπρόσωπος της Rosenergoatom.
Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, η οποία μπορεί να διαρκέσει αρκετές εβδομάδες, ο αντιδραστήρας θα γεμίσει με υγρό νάτριο και στη συνέχεια θα φορτωθεί με πυρηνικό καύσιμο. Ο εκπρόσωπος της Rosenergoatom εξήγησε ότι με την ολοκλήρωση της φυσικής εκκίνησης, η μονάδα ισχύος θα αναγνωριστεί ως πυρηνική εγκατάσταση.
Μονάδα ισχύος Νο. 4 με αντιδραστήρα BN-800 στο Beloyarskaya πυρηνικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής(BNPP) θα φτάσει σε πλήρη δυναμικότητα μέχρι το τέλος του 2014, δήλωσε στους δημοσιογράφους την Τετάρτη ο Αλεξάντερ Λόκσιν, πρώτος αναπληρωτής γενικός διευθυντής της κρατικής εταιρείας Rosatom.
«Η μονάδα θα πρέπει να έχει πλήρη δυναμικότητα μέχρι το τέλος του έτους», είπε, προσθέτοντας ότι ήταν περίπου στα τέλη του 2014.
Σύμφωνα με τον ίδιο, το κύκλωμα αυτή τη στιγμή γεμίζει με νάτριο και η ολοκλήρωση της φυσικής εκτόξευσης έχει προγραμματιστεί για τα μέσα Απριλίου. Σύμφωνα με τον ίδιο, η μονάδα ισχύος είναι κατά 99,8% έτοιμη για φυσική εκτόξευση. Όπως σημείωσε ο Evgeny Romanov, Γενικός Διευθυντής της Rosenergoatom Concern OJSC, η ενεργοποίηση της εγκατάστασης έχει προγραμματιστεί για το τέλος του καλοκαιριού.
Η μονάδα ισχύος με τον αντιδραστήρα BN-800 είναι μια εξέλιξη του μοναδικού αντιδραστήρα BN-600 στο NPP Beloyarsk, ο οποίος βρίσκεται σε πιλοτική λειτουργία για περίπου 30 χρόνια. Οι τεχνολογίες των ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων στον κόσμο έχουν πολύ λίγες ένας μεγάλος αριθμός απόχώρες, και η Ρωσία είναι ο παγκόσμιος ηγέτης σε αυτόν τον τομέα.
Ας μάθουμε περισσότερα για αυτό...
Αίθουσα αντιδραστήρα (κεντρική) BN-600
Η πόλη Zarechny βρίσκεται 40 χλμ. από το Αικατερινούπολη, στη μέση των πιο όμορφων δασών των Ουραλίων. Το 1964, το πρώτο σοβιετικό βιομηχανικό πυρηνικό εργοστάσιο, το Beloyarskaya, ξεκίνησε εδώ (με έναν αντιδραστήρα AMB-100 με ισχύ 100 MW). Τώρα ο πυρηνικός σταθμός Beloyarsk είναι ο μόνος στον κόσμο όπου λειτουργεί ένας βιομηχανικός αντιδραστήρας ταχείας ενέργειας νετρονίων - BN-600.
Φανταστείτε έναν λέβητα που εξατμίζει το νερό και ο ατμός που προκύπτει περιστρέφει μια στροβιλογεννήτρια που παράγει ηλεκτρισμό. Όπως αυτό σε σε γενικές γραμμέςκαι κατασκεύασε πυρηνικό εργοστάσιο. Μόνο ο «λέβητας» είναι η ενέργεια της ατομικής διάσπασης. Τα σχέδια των αντιδραστήρων ισχύος μπορεί να είναι διαφορετικά, αλλά σύμφωνα με την αρχή της λειτουργίας μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες - αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων και αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων.
Στην καρδιά κάθε αντιδραστήρα βρίσκεται η σχάση βαρέων πυρήνων υπό τη δράση νετρονίων. Είναι αλήθεια ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές. Στους θερμικούς αντιδραστήρες, το ουράνιο-235 διασπάται υπό τη δράση θερμικών νετρονίων χαμηλής ενέργειας, τα οποία παράγουν θραύσματα σχάσης και νέα νετρόνια υψηλής ενέργειας (τα λεγόμενα γρήγορα νετρόνια). Η πιθανότητα απορρόφησης από έναν πυρήνα ουρανίου-235 (με επακόλουθη σχάση) ενός θερμικού νετρονίου είναι πολύ μεγαλύτερη από ένα γρήγορο, επομένως τα νετρόνια πρέπει να επιβραδυνθούν. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια συντονιστών - ουσιών, σε συγκρούσεις με πυρήνες των οποίων τα νετρόνια χάνουν ενέργεια.
Το καύσιμο για θερμικούς αντιδραστήρες είναι συνήθως ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού, γραφίτης, ελαφρύ ή βαρύ νερό χρησιμοποιούνται ως μετριαστής και το ψυκτικό είναι συνηθισμένο νερό. Σύμφωνα με ένα από αυτά τα σχήματα, οι περισσότεροι από τους λειτουργικούς πυρηνικούς σταθμούς είναι διατεταγμένοι.
Τα γρήγορα νετρόνια που παράγονται ως αποτέλεσμα της εξαναγκασμένης πυρηνικής σχάσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς κανένα μέτρο. Το σχήμα έχει ως εξής: γρήγορα νετρόνια που σχηματίζονται κατά τη διάσπαση των πυρήνων ουρανίου-235 ή πλουτωνίου-239 απορροφώνται από το ουράνιο-238 με το σχηματισμό (μετά από δύο διασπάσεις βήτα) του πλουτωνίου-239. Επιπλέον, για 100 σχισμένους πυρήνες ουρανίου-235 ή πλουτωνίου-239, σχηματίζονται 120-140 πυρήνες πλουτωνίου-239. Είναι αλήθεια ότι, δεδομένου ότι η πιθανότητα πυρηνικής σχάσης από γρήγορα νετρόνια είναι μικρότερη από ό,τι με θερμικά νετρόνια, το καύσιμο πρέπει να εμπλουτιστεί σε μεγαλύτερο βαθμό από ό,τι για τους θερμικούς αντιδραστήρες. Επιπλέον, είναι αδύνατο να αφαιρέσετε τη θερμότητα με τη βοήθεια του νερού εδώ (το νερό είναι ένας μετριαστής), επομένως πρέπει να χρησιμοποιηθούν άλλα ψυκτικά: συνήθως αυτά είναι υγρά μέταλλα και κράματα, από πολύ εξωτικές επιλογές όπως ο υδράργυρος (ένα τέτοιο ψυκτικό ήταν χρησιμοποιήθηκε στον πρώτο αμερικανικό πειραματικό αντιδραστήρα Clementine) ή κράματα μολύβδου-βισμούθιου (χρησιμοποιούνται σε ορισμένους αντιδραστήρες για υποβρύχια- συγκεκριμένα, σοβιετικά σκάφη του έργου 705) σε υγρό νάτριο (η πιο κοινή επιλογή σε αντιδραστήρες βιομηχανικής ισχύος). Οι αντιδραστήρες που λειτουργούν σύμφωνα με αυτό το σχήμα ονομάζονται αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Η ιδέα ενός τέτοιου αντιδραστήρα προτάθηκε το 1942 από τον Enrico Fermi. Φυσικά, ο στρατός έδειξε το πιο θερμό ενδιαφέρον για αυτό το σχέδιο: οι γρήγοροι αντιδραστήρες στη διαδικασία λειτουργίας παράγουν όχι μόνο ενέργεια, αλλά και πλουτώνιο για πυρηνικά όπλα. Για το λόγο αυτό, οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων ονομάζονται και breeders (από το αγγλικό breeder - κατασκευαστή).
Ζιγκ-ζαγκ της ιστορίας
Είναι ενδιαφέρον ότι η ιστορία της παγκόσμιας βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας ξεκίνησε ακριβώς με έναν γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων. Στις 20 Δεκεμβρίου 1951, ο πρώτος στον κόσμο γρήγορος αντιδραστήρας ισχύος νετρονίων EBR-I (Experimental Breeder Reactor) με ηλεκτρική ισχύ μόλις 0,2 MW εκτοξεύτηκε στο Αϊντάχο. Αργότερα, το 1963, ένας πυρηνικός σταθμός με έναν γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων Fermi ξεκίνησε κοντά στο Ντιτρόιτ - ήδη με ισχύ περίπου 100 MW (το 1966 υπήρξε ένα σοβαρό ατύχημα με την τήξη μέρους του πυρήνα, αλλά χωρίς συνέπειες για περιβάλλονή άνθρωποι).
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1940, αυτό το θέμα έχει μελετηθεί στην ΕΣΣΔ από τον Alexander Leipunsky, υπό την ηγεσία του οποίου στο Obninsk Institute of Physics and Power Engineering (IPPE) αναπτύχθηκαν τα θεμέλια της θεωρίας των ταχέων αντιδραστήρων και κατασκευάστηκαν αρκετές πειραματικές βάσεις, οι οποίες κατέστησε δυνατή τη μελέτη της φυσικής της διαδικασίας. Ως αποτέλεσμα της έρευνας, το 1972 τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος σοβιετικός πυρηνικός σταθμός ταχείας ενέργειας νετρονίων στην πόλη Shevchenko (τώρα Aktau, Καζακστάν) με τον αντιδραστήρα BN-350 (αρχικά ονομαζόμενος BN-250). Όχι μόνο παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά χρησιμοποιούσε και θερμότητα για την αφαλάτωση του νερού. Ο γαλλικός πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με τον γρήγορο αντιδραστήρα Phenix (1973) και ο βρετανικός με τον PFR (1974) εγκαινιάστηκαν σύντομα, και τα δύο με ισχύ 250 MW.
Ωστόσο, στη δεκαετία του 1970, οι αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων άρχισαν να κυριαρχούν στη βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας. Αυτό οφειλόταν σε διάφορους λόγους. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι οι γρήγοροι αντιδραστήρες μπορούν να παράγουν πλουτώνιο, πράγμα που σημαίνει ότι αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παραβίαση του νόμου για τη μη διάδοση των πυρηνικών όπλων. Ωστόσο, πιθανότατα ο κύριος παράγοντας ήταν ότι οι θερμικοί αντιδραστήρες ήταν απλούστεροι και φθηνότεροι, ο σχεδιασμός τους δοκιμάστηκε σε στρατιωτικούς αντιδραστήρες για υποβρύχια και το ίδιο το ουράνιο ήταν πολύ φθηνό. Οι βιομηχανικοί αντιδραστήρες ταχείας ενέργειας νετρονίων που τέθηκαν σε λειτουργία σε όλο τον κόσμο μετά το 1980 μπορούν να μετρηθούν στα δάχτυλα του ενός χεριού: αυτοί είναι οι Superphenix (Γαλλία, 1985-1997), Monju (Ιαπωνία, 1994-1995) και BN-600 (Beloyarsk). NPP, 1980), ο οποίος είναι επί του παρόντος ο μόνος ενεργός βιομηχανικός αντιδραστήρας στον κόσμο.
Κατασκευή BN-800
Επιστρέφουν
Ωστόσο, επί του παρόντος, η προσοχή των ειδικών και του κοινού στρέφεται για άλλη μια φορά στους πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με ταχείς αντιδραστήρες νετρονίων. Σύμφωνα με εκτιμήσεις του Διεθνούς Οργανισμού για ατομική ενέργεια(ΔΟΑΕ) το 2005, ο συνολικός όγκος των εξερευνημένων αποθεμάτων ουρανίου, το κόστος εξόρυξης του οποίου δεν υπερβαίνει τα 130 δολάρια ανά κιλό, είναι περίπου 4,7 εκατομμύρια τόνοι. Σύμφωνα με εκτιμήσεις του ΔΟΑΕ, τα αποθέματα αυτά θα διαρκέσουν για 85 χρόνια (με βάση την ανάγκη για ουράνιο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο επίπεδο του 2004). Η περιεκτικότητα του ισοτόπου 235, που «καίγεται» σε θερμικούς αντιδραστήρες, σε φυσικό ουράνιο είναι μόνο 0,72%, το υπόλοιπο είναι ουράνιο-238, το οποίο είναι «άχρηστο» για θερμικούς αντιδραστήρες. Ωστόσο, αν στραφούμε στη χρήση ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων ικανών να «κάψουν» ουράνιο-238, αυτά τα ίδια αποθέματα θα είναι αρκετά για περισσότερα από 2500 χρόνια!
Επιπλέον, οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων καθιστούν δυνατή την υλοποίηση ενός κλειστού κύκλου καυσίμου (προς το παρόν, δεν εφαρμόζεται στο BN-600). Δεδομένου ότι μόνο το ουράνιο-238 «καίγεται», μετά την επεξεργασία (εξόρυξη προϊόντων σχάσης και προσθήκη νέων μερίδων ουρανίου-238), το καύσιμο μπορεί να φορτωθεί εκ νέου στον αντιδραστήρα. Και δεδομένου ότι στον κύκλο ουρανίου-πλουτωνίου παράγεται περισσότερο πλουτώνιο από αυτό που έχει αποσυντεθεί, η περίσσεια καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νέους αντιδραστήρες.
Επιπλέον, αυτή η μέθοδος μπορεί να επεξεργάζεται πλεονάζον πλουτώνιο ποιότητας όπλων, καθώς και πλουτώνιο και δευτερεύουσες ακτινίδες (νεπτούνιο, αμερίκιο, κούριο) που εξάγονται από τα αναλωμένα καύσιμα των συμβατικών θερμικών αντιδραστήρων (οι δευτερεύουσες ακτινίδες αντιπροσωπεύουν επί του παρόντος ένα πολύ επικίνδυνο μέρος των ραδιενεργών αποβλήτων). Ταυτόχρονα, η ποσότητα των ραδιενεργών αποβλήτων σε σύγκριση με τους θερμικούς αντιδραστήρες μειώνεται κατά περισσότερο από είκοσι φορές.
Ομαλή μόνο σε χαρτί
Γιατί, με όλα τα πλεονεκτήματά τους, οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων δεν χρησιμοποιούνται ευρέως; Πρώτα απ 'όλα, αυτό οφείλεται στις ιδιαιτερότητες του σχεδιασμού τους. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το νερό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό υγρό, καθώς είναι ένας συντονιστής νετρονίων. Επομένως, σε γρήγορους αντιδραστήρες, τα μέταλλα χρησιμοποιούνται κυρίως σε υγρή κατάσταση - από εξωτικά κράματα μολύβδου-βισμούθιου έως υγρό νάτριο (η πιο κοινή επιλογή για πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής).
«Στους γρήγορους αντιδραστήρες νετρονίων, τα θερμικά φορτία και τα φορτία ακτινοβολίας είναι πολύ υψηλότερα από ό,τι στους θερμικούς αντιδραστήρες», εξηγεί στον PM ο Mikhail Bakanov, επικεφαλής μηχανικός του NPP Beloyarsk. – Αυτό οδηγεί στην ανάγκη χρήσης ειδικών δομικών υλικών για το δοχείο του αντιδραστήρα και τα συστήματα εντός του αντιδραστήρα. Οι θήκες TVEL και TVS δεν κατασκευάζονται από κράματα ζιρκονίου, όπως στους θερμικούς αντιδραστήρες, αλλά από ειδικούς κραματοποιημένους χάλυβες χρωμίου, οι οποίοι είναι λιγότερο επιρρεπείς στην «διόγκωση» της ακτινοβολίας. Από την άλλη πλευρά, για παράδειγμα, το δοχείο του αντιδραστήρα δεν υπόκειται σε φορτία που σχετίζονται με την εσωτερική πίεση - είναι μόνο ελαφρώς υψηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση.
Σύμφωνα με τον Μιχαήλ Μπακάνοφ, τα πρώτα χρόνια λειτουργίας, οι κύριες δυσκολίες συνδέονταν με τη διόγκωση της ακτινοβολίας και το ράγισμα του καυσίμου. Αυτά τα προβλήματα, ωστόσο, επιλύθηκαν σύντομα, αναπτύχθηκαν νέα υλικά - τόσο για καύσιμα όσο και για περιβλήματα ράβδων καυσίμου. Αλλά ακόμη και τώρα, οι εκστρατείες περιορίζονται όχι τόσο από την καύση καυσίμου (η οποία στο BN-600 φτάνει το 11%), αλλά από τον πόρο των υλικών από τα οποία κατασκευάζονται τα καύσιμα, τα στοιχεία καυσίμου και τα συγκροτήματα καυσίμου. Περαιτέρω λειτουργικά προβλήματα συνδέθηκαν κυρίως με τη διαρροή νατρίου στο δευτερεύον κύκλωμα, ένα αντιδραστικό και εύφλεκτο μέταλλο που αντιδρά βίαια στην επαφή με τον αέρα και το νερό: «Μόνο η Ρωσία και η Γαλλία έχουν μακρά εμπειρία στη λειτουργία βιομηχανικών αντιδραστήρων ισχύος σε γρήγορα νετρόνια. Τόσο εμείς όσο και οι Γάλλοι ειδικοί αντιμετωπίσαμε τα ίδια προβλήματα από την αρχή. Τα επιλύσαμε με επιτυχία, παρέχοντας από την αρχή ειδικά μέσα για την παρακολούθηση της στεγανότητας των κυκλωμάτων, τον εντοπισμό και την καταστολή των διαρροών νατρίου. Και το γαλλικό έργο αποδείχθηκε ότι ήταν λιγότερο προετοιμασμένο για τέτοια προβλήματα, ως αποτέλεσμα, το 2009, ο αντιδραστήρας Phenix έκλεισε τελικά».
«Τα προβλήματα ήταν πραγματικά τα ίδια», προσθέτει ο διευθυντής του πυρηνικού σταθμού Beloyarsk, Nikolai Oshkanov, «αλλά εδώ λύθηκαν στη χώρα μας και στη Γαλλία με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα, όταν το Phenix λύγισε μέρος του κεφαλιούένα από τα συγκροτήματα, για να το συλλάβουν και να το ξεφορτώσουν, οι Γάλλοι ειδικοί ανέπτυξαν ένα περίπλοκο και αρκετά ακριβό σύστημα «όρασης» μέσω του στρώματος νατρίου. Και όταν είχαμε το ίδιο πρόβλημα, ένας από τους μηχανικούς μας πρότεινε τη χρήση μιας βιντεοκάμερας τοποθετημένης στην απλούστερη κατασκευή, όπως ένα καταδυτικό κουδούνι - ένας σωλήνας ανοιχτός από κάτω με αργό που φυσάει από πάνω. Όταν το τήγμα νατρίου αποβλήθηκε, οι χειριστές μπόρεσαν να συλλάβουν τον μηχανισμό μέσω σύνδεσης βίντεο και το λυγισμένο συγκρότημα αφαιρέθηκε με επιτυχία».
γρήγορο μέλλον
«Δεν θα υπήρχε τέτοιο ενδιαφέρον για την τεχνολογία των γρήγορων αντιδραστήρων στον κόσμο αν δεν υπήρχε η επιτυχημένη μακροχρόνια λειτουργία του BN-600 μας», λέει ο Νικολάι Οσκάνοφ. «Η ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας, κατά τη γνώμη μου, είναι συνδέεται κυρίως με τη μαζική παραγωγή και λειτουργία ταχέων αντιδραστήρων.» . Μόνο αυτά καθιστούν δυνατή τη συμμετοχή όλου του φυσικού ουρανίου στον κύκλο του καυσίμου και, κατά συνέπεια, την αύξηση της απόδοσης, καθώς και τη μείωση της ποσότητας των ραδιενεργών αποβλήτων στο δεκαπλάσιο. Σε αυτή την περίπτωση, το μέλλον της πυρηνικής ενέργειας θα είναι πραγματικά λαμπρό».
Γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων BN-800 (κάθετη τομή)
Τι έχει μέσα του
Ο πυρήνας ενός γρήγορου αντιδραστήρα νετρονίων είναι διατεταγμένος σαν κρεμμύδι, σε στρώματα
370 συγκροτήματα καυσίμων σχηματίζουν τρεις ζώνες με διαφορετικό εμπλουτισμό σε ουράνιο-235 - 17, 21 και 26% (αρχικά υπήρχαν μόνο δύο ζώνες, αλλά για να εξισορροπηθεί η απελευθέρωση ενέργειας, έκαναν τρεις). Περιβάλλονται από πλευρικές ασπίδες (κουβέρτες), ή ζώνες αναπαραγωγής, όπου βρίσκονται συγκροτήματα που περιέχουν απεμπλουτισμένο ή φυσικό ουράνιο, που αποτελούνται κυρίως από το ισότοπο 238. αναπαραγωγή).
Τα συγκροτήματα καυσίμου (FA) είναι ένα σύνολο στοιχείων καυσίμου (TVEL) συναρμολογημένα σε ένα περίβλημα - σωλήνες από ειδικό χάλυβα γεμάτο με σφαιρίδια οξειδίου του ουρανίου με διάφορους εμπλουτισμούς. Προκειμένου τα στοιχεία καυσίμου να μην αγγίζουν το ένα το άλλο και το ψυκτικό να μπορεί να κυκλοφορεί μεταξύ τους, ένα λεπτό σύρμα τυλίγεται γύρω από τους σωλήνες. Το νάτριο εισέρχεται στο συγκρότημα καυσίμου μέσω των κάτω οπών στραγγαλισμού και εξέρχεται από τα παράθυρα στο επάνω μέρος.
Στο κάτω μέρος του συγκροτήματος καυσίμου υπάρχει ένα στέλεχος που εισάγεται στην υποδοχή συλλέκτη, στο πάνω μέρος υπάρχει ένα τμήμα κεφαλής, με το οποίο το συγκρότημα συγκρατείται κατά την επαναφόρτωση. Τα συγκροτήματα καυσίμου ποικίλου εμπλουτισμού έχουν διαφορετικές θέσεις, επομένως είναι απλά αδύνατο να εγκαταστήσετε το συγκρότημα σε λάθος μέρος.
Για τον έλεγχο του αντιδραστήρα, χρησιμοποιούνται 19 ράβδοι αντιστάθμισης που περιέχουν βόριο (απορροφητής νετρονίων) για την αντιστάθμιση της καύσης καυσίμου, 2 ράβδοι αυτόματου ελέγχου (για τη διατήρηση μιας δεδομένης ισχύος) και 6 ράβδοι ενεργής προστασίας. Δεδομένου ότι το υπόβαθρο νετρονίων του ίδιου του ουρανίου είναι μικρό, για ελεγχόμενη εκτόξευση του αντιδραστήρα (και έλεγχο σε χαμηλά επίπεδα ισχύος) χρησιμοποιείται "οπίσθιος φωτισμός" - μια πηγή φωτονευτρονίων (εκπομπός γάμμα συν βηρύλλιο).
Πώς λειτουργεί ο αντιδραστήρας BN-600
Ο αντιδραστήρας έχει μια ενιαία διάταξη, δηλαδή ο πυρήνας (1) βρίσκεται στο δοχείο του αντιδραστήρα, καθώς και τρεις βρόχοι (2) του πρώτου κυκλώματος ψύξης, καθένας από τους οποίους έχει τη δική του κύρια αντλία κυκλοφορίας (3) και δύο ενδιάμεση θερμότητα εναλλάκτες (4). Το ψυκτικό υγρό είναι υγρό νάτριο, το οποίο αντλείται μέσω του πυρήνα από κάτω προς τα πάνω και θερμαίνεται από 370 έως 550°C
Περνώντας από ενδιάμεσους εναλλάκτες θερμότητας, μεταφέρει θερμότητα στο νάτριο στο δεύτερο κύκλωμα (5), το οποίο εισέρχεται ήδη στις γεννήτριες ατμού (6), όπου εξατμίζει το νερό και υπερθερμαίνει τον ατμό σε θερμοκρασία 520°C (σε πίεση 130 ΑΤΜ). Ο ατμός παρέχεται στους στρόβιλους με τη σειρά τους στους κυλίνδρους υψηλής (7), μεσαίας (8) και χαμηλής (9) πίεσης. Ο ατμός εξαγωγής συμπυκνώνεται με ψύξη με νερό (10) από τη λίμνη ψύξης και εισέρχεται ξανά στις γεννήτριες ατμού. Τρεις στροβιλογεννήτριες (11) του πυρηνικού σταθμού Beloyarsk παράγουν 600 MW ηλεκτρικής ισχύος. Η κοιλότητα αερίου του αντιδραστήρα γεμίζει με αργό σε πολύ χαμηλή υπερπίεση (περίπου 0,3 atm).
Τυφλή υπερφόρτωση
Σε αντίθεση με τους θερμικούς αντιδραστήρες, στον αντιδραστήρα BN-600, τα συγκροτήματα βρίσκονται κάτω από ένα στρώμα υγρού νατρίου, επομένως η αφαίρεση των χρησιμοποιημένων συγκροτημάτων και η εγκατάσταση φρέσκων συγκροτημάτων στη θέση τους (αυτή η διαδικασία ονομάζεται ανεφοδιασμός καυσίμων) γίνεται σε εντελώς κλειστή λειτουργία. Στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα, υπάρχουν μεγάλα και μικρά περιστροφικά βύσματα (έκκεντρα μεταξύ τους, δηλαδή οι άξονες περιστροφής τους δεν συμπίπτουν). Σε ένα μικρό περιστροφικό βύσμα τοποθετείται στήλη με συστήματα ελέγχου και προστασίας, καθώς και μηχανισμός υπερφόρτωσης με λαβή τύπου κολλέτας. Ο περιστροφικός μηχανισμός είναι εξοπλισμένος με «υδραυλική κλειδαριά» κατασκευασμένη από ειδικό κράμα χαμηλής τήξης. Στην κανονική του κατάσταση, είναι στερεό και για επαναφόρτωση θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης, ενώ ο αντιδραστήρας παραμένει πλήρως σφραγισμένος, έτσι ώστε πρακτικά να αποκλείονται οι εκπομπές ραδιενεργών αερίων.
Η διαδικασία επαναφόρτωσης ενός συγκροτήματος διαρκεί έως και μία ώρα, η επαναφόρτωση του ενός τρίτου του πυρήνα (περίπου 120 συγκροτήματα καυσίμου) διαρκεί περίπου μία εβδομάδα (σε τρεις βάρδιες), αυτή η διαδικασία εκτελείται κάθε μικρό τρέξιμο (160 αποτελεσματικές ημέρες, από μέγιστη χωρητικότητα). Είναι αλήθεια ότι η κατανάλωση καυσίμου έχει πλέον αυξηθεί και μόνο το ένα τέταρτο του πυρήνα (περίπου 90 συγκροτήματα καυσίμου) ανεφοδιάζεται. Ταυτόχρονα, ο χειριστής δεν έχει άμεση οπτική ανάδραση και καθοδηγείται μόνο από τους δείκτες των αισθητήρων των γωνιών περιστροφής της χορδής και των λαβών (η ακρίβεια τοποθέτησης είναι μικρότερη από 0,01 μοίρες), οι δυνάμεις εξαγωγής και ρύθμισης. Για λόγους ασφαλείας, επιβάλλονται ορισμένοι περιορισμοί στη λειτουργία του μηχανισμού: για παράδειγμα, δύο γειτονικές κυψέλες δεν μπορούν να απελευθερωθούν ταυτόχρονα, επιπλέον, κατά την υπερφόρτωση, όλες οι ράβδοι ελέγχου και προστασίας πρέπει να βρίσκονται στην ενεργή ζώνη.
Το 1983, με βάση το BN-600, η επιχείρηση ανέπτυξε ένα έργο για έναν βελτιωμένο αντιδραστήρα BN-800 για μια μονάδα ισχύος 880 MW(e). Το 1984, άρχισαν οι εργασίες για την κατασκευή δύο αντιδραστήρων BN-800 στο Beloyarsk και του νέου NPP South Ural. Η επακόλουθη καθυστέρηση στην κατασκευή αυτών των αντιδραστήρων χρησιμοποιήθηκε για τη βελτίωση του σχεδιασμού προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η ασφάλειά του και να βελτιωθούν οι τεχνικοί και οικονομικοί δείκτες. Οι εργασίες για την κατασκευή του BN-800 ξεκίνησαν εκ νέου το 2006 στον πυρηνικό σταθμό Beloyarsk (4η μονάδα ισχύος) και θα πρέπει να ολοκληρωθούν το 2014.
Ο υπό κατασκευή αντιδραστήρας BN-800 έχει τα ακόλουθα σημαντικά καθήκοντα:
- Εξασφάλιση λειτουργίας με καύσιμο MOX.
- Πειραματική επίδειξη βασικών στοιχείων ενός κλειστού κύκλου καυσίμου.
- Δουλεύοντας μέσα πραγματικές συνθήκεςλειτουργία νέων τύπων εξοπλισμού και βελτιωμένες τεχνικές λύσεις που εισάγονται για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας, της αξιοπιστίας και της ασφάλειας.
- Ανάπτυξη καινοτόμες τεχνολογίεςγια μελλοντικούς γρήγορους αντιδραστήρες νετρονίων με ψυκτικό υγρό μετάλλου:
- δοκιμή και πιστοποίηση πολλά υποσχόμενων καυσίμων και δομικών υλικών.
- επίδειξη της τεχνολογίας καύσης δευτερευουσών ακτινιδών και μεταστοιχείωσης προϊόντων σχάσης μακράς διάρκειας, που αποτελούν το πιο επικίνδυνο μέρος των ραδιενεργών αποβλήτων της πυρηνικής ενέργειας.
Αναπτύσσεται έργο για βελτιωμένο εμπορικό αντιδραστήρα BN-1200 ισχύος 1220 MW.
Αντιδραστήρας BN-1200 (κάθετη τομή)
Για την υλοποίηση του έργου έχει προγραμματιστεί το ακόλουθο πρόγραμμα:
- 2010…2016 – ανάπτυξη τεχνικού σχεδιασμού για μονάδα αντιδραστήρα και εφαρμογή προγράμματος Ε&Α.
- 2020 – θέση σε λειτουργία της κύριας μονάδας ισχύος με MOX και οργάνωση της κεντρικής παραγωγής της.
- 2023…2030 – θέση σε λειτουργία μιας σειράς μονάδων ισχύος συνολικής ισχύος περίπου 11 GW.
Συνοδεύεται από την απελευθέρωση της θερμοκρασίας, ανάλογα με χαρακτηριστικά σχεδίουΥπάρχουν δύο ποικιλίες τους - ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων και ένας αργός, που μερικές φορές ονομάζεται θερμικός.
Τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά την αντίδραση έχουν πολύ υψηλή αρχική ταχύτητα, καλύπτοντας θεωρητικά χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αυτά είναι γρήγορα νετρόνια. Στη διαδικασία κίνησης λόγω σύγκρουσης με τα άτομα της περιβάλλουσας ύλης, η ταχύτητά τους επιβραδύνεται. Ένας απλός και προσιτός τρόπος για να μειώσετε τεχνητά την ταχύτητα είναι να τοποθετήσετε νερό ή γραφίτη στην πορεία τους. Έτσι, έχοντας μάθει να ρυθμίζει το επίπεδο αυτών των σωματιδίων, ένα άτομο μπόρεσε να δημιουργήσει δύο τύπους αντιδραστήρων. Η ονομασία «θερμικά» νετρόνια οφειλόταν στο γεγονός ότι η ταχύτητα της κίνησής τους μετά την επιβράδυνση αντιστοιχεί πρακτικά στη φυσική ταχύτητα της ενδοατομικής θερμικής κίνησης. Αριθμητικά, είναι μέχρι 10 χλμ. ανά δευτερόλεπτο. Για τον μικρόκοσμο, αυτή η τιμή είναι σχετικά χαμηλή, επομένως η σύλληψη σωματιδίων από πυρήνες συμβαίνει πολύ συχνά, προκαλώντας νέους γύρους σχάσης (αλυσιδωτή αντίδραση). Η συνέπεια αυτού είναι η ανάγκη για πολύ μικρότερη ποσότητα σχάσιμου υλικού από ό,τι μπορούν να καυχηθούν οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Επιπλέον, κάποια άλλα Αυτή τη στιγμήαπλώς εξηγεί γιατί η πλειοψηφία των πυρηνικών σταθμών που λειτουργούν χρησιμοποιούν αργά νετρόνια.
Φαίνεται - αν όλα έχουν υπολογιστεί, τότε γιατί χρειαζόμαστε έναν γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων; Αποδεικνύεται ότι δεν είναι όλα τόσο ξεκάθαρα. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα τέτοιων εγκαταστάσεων είναι η δυνατότητα παροχής άλλων αντιδραστήρων, καθώς και η δυνατότητα δημιουργίας αυξημένου κύκλου σχάσης. Ας σταθούμε σε αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες.
Ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων χρησιμοποιεί πληρέστερα το καύσιμο που είναι φορτωμένο στον πυρήνα. Ας ξεκινήσουμε με τη σειρά. Θεωρητικά, μόνο δύο στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο: το πλουτώνιο-239 και το ουράνιο (ισότοπα 233 και 235). Μόνο το ισότοπο U-235 βρίσκεται στη φύση, αλλά υπάρχουν πολύ λίγα για να μιλήσουμε για τις προοπτικές μιας τέτοιας επιλογής. Το υποδεικνυόμενο ουράνιο και πλουτώνιο είναι παράγωγα του θορίου-232 και του ουρανίου-238, τα οποία σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε ροή νετρονίων. Αλλά ήδη αυτά τα δύο είναι πολύ πιο κοινά στη φυσική τους μορφή. Έτσι, εάν ήταν δυνατό να ξεκινήσει μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης U-238 (ή πλουτώνιο-232), τότε το αποτέλεσμά της θα ήταν η εμφάνιση νέων τμημάτων σχάσιμου υλικού - ουρανίου-233 ή πλουτωνίου-239. Όταν τα νετρόνια επιβραδύνονται σε θερμική ταχύτητα (κλασικοί αντιδραστήρες), μια τέτοια διαδικασία είναι αδύνατη: είναι τα U-233 και Pu-239 που χρησιμεύουν ως καύσιμο σε αυτά, αλλά ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων επιτρέπει να πραγματοποιηθεί ένας τέτοιος πρόσθετος μετασχηματισμός.
Η διαδικασία είναι η εξής: φορτώνουμε ουράνιο-235 ή θόριο-232 (πρώτες ύλες), καθώς και ένα μέρος ουρανίου-233 ή πλουτώνιο-239 (καύσιμο). Τα τελευταία (κάθε από αυτά) παρέχουν τη ροή νετρονίων που είναι απαραίτητη για να «αναφλεγεί» η αντίδραση στα πρώτα στοιχεία. Κατά τη διαδικασία της αποσύνθεσης, ο σταθμός που μετατρέπεται από τις γεννήτριες σε ηλεκτρική ενέργεια απελευθερώνεται. Τα γρήγορα νετρόνια δρουν στις πρώτες ύλες, μετατρέποντας αυτά τα στοιχεία σε... νέες μερίδες καυσίμου. Συνήθως, οι ποσότητες καυσίμου που καίγονται και σχηματίζονται είναι ίσες, αλλά εάν φορτωθούν περισσότερες πρώτες ύλες, τότε η παραγωγή νέων μερίδων σχάσιμου υλικού γίνεται ακόμη πιο γρήγορα από την κατανάλωση. Εξ ου και το δεύτερο όνομα τέτοιων αντιδραστήρων - κτηνοτρόφων. Το πλεόνασμα καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κλασικούς αργούς τύπους αντιδραστήρων.
Το μειονέκτημα των μοντέλων γρήγορων νετρονίων είναι ότι το ουράνιο-235 πρέπει να εμπλουτιστεί πριν από τη φόρτωση, κάτι που απαιτεί πρόσθετες οικονομικές επενδύσεις. Επιπλέον, ο ίδιος ο σχεδιασμός του πυρήνα είναι πιο περίπλοκος.
Διαφάνεια 11. Στοιχεία καυσίμου με ιδιαίτερα εμπλουτισμένο καύσιμο 235U τοποθετούνται στον πυρήνα ενός αντιδραστήρα ταχέων νετρονίων. Η ενεργή ζώνη περιβάλλεται από μια ζώνη αναπαραγωγής, που αποτελείται
από στοιχεία καυσίμου που περιέχουν πρώτες ύλες καυσίμου (εξαντλημένα 228U ή 232Th). Τα νετρόνια που εκπέμπονται από την ενεργό ζώνη δεσμεύονται στη ζώνη αναπαραγωγής από τους πυρήνες της πρώτης ύλης καυσίμου, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται νέο πυρηνικό καύσιμο. Το πλεονέκτημα των ταχέων αντιδραστήρων είναι η δυνατότητα οργάνωσης σε αυτούς εκτεταμένης αναπαραγωγής πυρηνικού καυσίμου, δηλ. Ταυτόχρονα με την παραγωγή ενέργειας, παράγετε καινούργια αντί για καμένα πυρηνικά καύσιμα. Οι γρήγοροι αντιδραστήρες δεν απαιτούν συντονιστή και το ψυκτικό δεν πρέπει να επιβραδύνει τα νετρόνια.
Ο κύριος σκοπός του αντιδραστήρα ταχέων νετρονίων είναι η παραγωγή πλουτωνίου (και κάποιων άλλων σχάσιμων ακτινιδών) όπλων ατομικά όπλα. Ωστόσο, τέτοιοι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται επίσης στον ενεργειακό τομέα, ειδικότερα, για να διασφαλιστεί η εκτεταμένη αναπαραγωγή του σχάσιμου πλουτωνίου 239Pu από 238U, προκειμένου να καεί ολόκληρο ή σημαντικό μέρος του φυσικού ουρανίου, καθώς και τα υπάρχοντα αποθέματα απεμπλουτισμένου ουρανίου. Με την ανάπτυξη της ενέργειας σε αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων, μπορεί να λυθεί το πρόβλημα της αυτάρκειας της πυρηνικής ενέργειας με καύσιμα.
Slide 12. Breeder reactor, ένας πυρηνικός αντιδραστήρας στον οποίο η «καύση» πυρηνικού καυσίμου συνοδεύεται από εκτεταμένη αναπαραγωγή δευτερογενούς καυσίμου. Σε έναν αντιδραστήρα αναπαραγωγής, τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση του πυρηνικού καυσίμου (π.χ. 235U) αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες της πρώτης ύλης που τοποθετούνται στον αντιδραστήρα (π.χ. 238U), με αποτέλεσμα τον σχηματισμό δευτερογενούς πυρηνικού καυσίμου (239Pu). Σε έναν αντιδραστήρα βελτιωτικού τύπου, το αναπαραγόμενο και καύσιμο καύσιμο είναι ισότοπα του ίδιου χημικού στοιχείου (για παράδειγμα, καίγεται 235U, αναπαράγεται 233U), σε αντιδραστήρα αντιδραστήρα-μετατροπέα - ισότοπα διαφορετικών χημικά στοιχεία(για παράδειγμα, 235U καίγεται, 239Pu αναπαράγεται).
Στους γρήγορους αντιδραστήρες, το πυρηνικό καύσιμο είναι ένα εμπλουτισμένο μείγμα που περιέχει τουλάχιστον το 15% του ισοτόπου 235U. Ένας τέτοιος αντιδραστήρας παρέχει μια εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικού καυσίμου (εκτός από την εξαφάνιση των σχάσιμων ατόμων, μερικά από αυτά αναγεννώνται (για παράδειγμα, ο σχηματισμός του 239Pu)). Ο κύριος αριθμός των σχάσεων προκαλείται από γρήγορα νετρόνια και κάθε γεγονός σχάσης συνοδεύεται από την εμφάνιση μεγάλου αριθμού νετρονίων (σε σύγκριση με τη σχάση από θερμικά νετρόνια), τα οποία, όταν συλλαμβάνονται από πυρήνες 238 U, τα μετασχηματίζουν (μέσω δύο διαδοχικών β -διασπάται) σε πυρήνες 239Pu, δηλ. νέο πυρηνικό καύσιμο. Αυτό σημαίνει ότι, για παράδειγμα, για 100 σχάσιμους πυρήνες καυσίμου (235U) σε αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων, σχηματίζονται 150 σχάσιμοι πυρήνες 239Pu. (Η αναλογία αναπαραγωγής τέτοιων αντιδραστήρων φτάνει το 1,5, δηλ. λαμβάνεται έως και 1,5 kg Pu ανά 1 kg 235 U). Το 239Pu μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε έναν αντιδραστήρα ως σχάσιμο στοιχείο.
Από την άποψη της ανάπτυξης της παγκόσμιας ενέργειας, το πλεονέκτημα ενός γρήγορου αντιδραστήρα νετρονίων (FN) είναι ότι επιτρέπει τη χρήση ισοτόπων βαρέων στοιχείων που δεν είναι ικανά να διασπαστούν σε θερμικούς αντιδραστήρες νετρονίων ως καύσιμο. Ο κύκλος του καυσίμου μπορεί να περιλαμβάνει αποθέματα 238U και 232Th, τα οποία είναι πολύ μεγαλύτερα στη φύση από τα 235U, το κύριο καύσιμο για τους αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων. Συμπεριλαμβανομένου του λεγόμενου «απόβλητου ουρανίου», το οποίο παραμένει μετά τον εμπλουτισμό του πυρηνικού καυσίμου 235U, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί. Σημειώστε ότι το πλουτώνιο σχηματίζεται επίσης σε συμβατικούς αντιδραστήρες, αλλά σε πολύ μικρότερες ποσότητες.
Διαφάνεια 13. BN - ένας πυρηνικός αντιδραστήρας, σε γρήγορα νετρόνια. Αντιδραστήρας εκτροφής σκαφών. Το ψυκτικό του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος κυκλώματος είναι συνήθως νάτριο. Το ψυκτικό του τρίτου κυκλώματος είναι νερό και ατμός. Δεν υπάρχει συντονιστής στους γρήγορους αντιδραστήρες.
Τα πλεονεκτήματα των γρήγορων αντιδραστήρων περιλαμβάνουν υψηλό βαθμό καύσης καυσίμου (δηλαδή μεγαλύτερη περίοδο εκστρατείας) και τα μειονεκτήματα είναι το υψηλό κόστος, λόγω της αδυναμίας χρήσης του απλούστερου ψυκτικού υγρού - νερό, η δομική πολυπλοκότητα, το υψηλό κόστος κεφαλαίου και το υψηλό κόστος καυσίμων υψηλής εμπλουτισμού.
Ουράνιο υψηλού εμπλουτισμού - ουράνιο με μάζα περιεκτικότητας σε ισότοπο ουρανίου-235 ίση ή μεγαλύτερη από 20%. Για να εξασφαλιστεί υψηλή συγκέντρωση πυρηνικού καυσίμου, είναι απαραίτητο να επιτευχθεί η μέγιστη απελευθέρωση θερμότητας ανά μονάδα όγκου του πυρήνα. Η απελευθέρωση θερμότητας ενός γρήγορου αντιδραστήρα νετρονίων είναι δέκα έως δεκαπέντε φορές μεγαλύτερη από την απελευθέρωση θερμότητας των αργών αντιδραστήρων νετρονίων. Η απομάκρυνση θερμότητας σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με τη χρήση υγρών ψυκτικών μετάλλων, όπως νάτριο, κάλιο ή ενεργοβόρα ψυκτικά αερίου με τα καλύτερα χαρακτηριστικά θερμικής μηχανικής και θερμοφυσικής, όπως ήλιο και αέρια διάστασης. Συνήθως χρησιμοποιούνται υγρά μέταλλα, όπως τήγμα νατρίου (σημείο τήξης νατρίου 98 °C). Τα μειονεκτήματα του νατρίου περιλαμβάνουν την υψηλή χημική του δράση σε σχέση με το νερό, τον αέρα και τον κίνδυνο πυρκαγιάς. Η θερμοκρασία του ψυκτικού στην είσοδο στον αντιδραστήρα είναι 370 ° C και στην έξοδο - 550, η οποία είναι δέκα φορές υψηλότερη από παρόμοιους δείκτες, ας πούμε, για το VVER - εκεί η θερμοκρασία του νερού στην είσοδο είναι 270 μοίρες και σε η πρίζα - 293.
Όταν μας λένε, για παράδειγμα, ότι «έχει κατασκευαστεί ένας ηλιακός σταθμός ισχύος 1200 MW», αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι αυτός ο ηλιακός σταθμός θα παρέχει τόση ηλεκτρική ενέργεια όσο ο πυρηνικός αντιδραστήρας VVER-1200. Οι ηλιακοί συλλέκτες δεν μπορούν να λειτουργήσουν τη νύχτα - επομένως, εάν υπολογίζεται ο μέσος όρος κατά τη διάρκεια των εποχών, παραμένουν σε αδράνεια για μισή ημέρα, και αυτό ήδη μειώνει τον παράγοντα χωρητικότητας στο μισό. Οι ηλιακοί συλλέκτες, ακόμη και από τις πιο πρόσφατες ποικιλίες, λειτουργούν πολύ χειρότερα σε συννεφιασμένο καιρό και οι μέσες τιμές δεν είναι επίσης ενθαρρυντικές εδώ - σύννεφα με βροχή και χιόνι, ομίχλες μειώνουν το IUM κατά το ήμισυ. Το "SPS με χωρητικότητα 1200 MW" ακούγεται δυνατά, αλλά πρέπει να έχετε κατά νου το ποσοστό του 25% - αυτές οι χωρητικότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνολογικά μόνο κατά το ¼.
Οι ηλιακοί συλλέκτες, σε αντίθεση με τους πυρηνικούς σταθμούς, δεν λειτουργούν για 60-80 χρόνια, αλλά για 3-4 χρόνια, χάνοντας την ικανότητα μετατροπής ηλιακό φωςσε ηλεκτρικό ρεύμα. Μπορείτε, φυσικά, να μιλήσετε για κάποιο είδος «μείωσης του κόστους παραγωγής», αλλά αυτό είναι, σε τελική ανάλυση, σκέτη πονηριά. Οι ηλιακοί σταθμοί απαιτούν μεγάλες περιοχές της επικράτειας, μέχρι στιγμής κανείς δεν έχει αντιμετωπίσει πραγματικά τα προβλήματα της ανακύκλωσης των εξαντλημένων ηλιακών συλλεκτών πουθενά. Η χρήση θα απαιτήσει την ανάπτυξη αρκετά σοβαρών τεχνολογιών, οι οποίες δεν είναι καθόλου ευχάριστες για το περιβάλλον. Αν μιλάμε για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν αιολική ενέργεια, τότε οι λέξεις θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σχεδόν το ίδιο, αφού στην περίπτωση αυτή, το ICF είναι περίπου το ένα τέταρτο της εγκατεστημένης ισχύος. Είτε αντί για ήρεμο άνεμο, είτε άνεμος τέτοιας ισχύος που αναγκάζει τους «μύλους» να σταματήσουν, καθώς απειλεί την ακεραιότητα της δομής τους.
Καιρικές ιδιοτροπίες της ανανεώσιμης ενέργειας
Δεν υπάρχει διαφυγή από το δεύτερο» αχίλλειος πτέρνα» ΑΠΕ. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που βασίζονται σε αυτές δεν λειτουργούν όταν η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν την χρειάζονται οι καταναλωτές, αλλά όταν έξω έχει ήλιο ή όταν ο άνεμος είναι κατάλληλος. Ναι, τέτοιοι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά τι γίνεται εάν τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας δεν μπορούν να την λάβουν; Ο άνεμος φυσούσε τη νύχτα, μπορείτε να ενεργοποιήσετε ανεμογεννήτριες (σταθμοί παραγωγής ενέργειας), αλλά τη νύχτα κοιμόμαστε εσείς και εγώ και οι επιχειρήσεις δεν λειτουργούν. Ναι, τέτοιοι παραδοσιακοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που βασίζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί, μπορούν να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα αυξάνοντας την αδράνεια απόρριψη νερού («πέρα από τον στρόβιλο») ή απλώς συσσωρεύοντας νερό στις δεξαμενές τους, αλλά σε περίπτωση πλημμύρες, δεν τους είναι τόσο εύκολο. Και για τους σταθμούς ηλιακής και αιολικής ενέργειας, οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας δεν είναι τόσο ανεπτυγμένες ώστε να «εξοικονομούν» την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια τη στιγμή που αυξάνεται η κατανάλωση στο δίκτυο.
Υπάρχει και η άλλη όψη του νομίσματος. Θα επενδύσει ένας επενδυτής στην κατασκευή, ας πούμε, ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής φυσικού αερίου σε μια περιοχή όπου εγκαθίστανται σε μεγάλους αριθμούς ηλιακούς συλλέκτες; Πώς να αποπληρώσετε τα χρήματα που επενδύσατε, εάν το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής σας δεν λειτουργεί κατά το ήμισυ; Περίοδος αποπληρωμής, τραπεζικοί τόκοι... «Ω, γιατί χρειάζομαι τέτοιο πονοκέφαλο!»- δηλώνει ο προσεκτικός καπιταλιστής και δεν χτίζει τίποτα. Και έχουμε και μια ανωμαλία, έβρεχε για μια εβδομάδα σε απόλυτη ηρεμία. Και οι κραυγές των αγανακτισμένων καταναλωτών, που αναγκάστηκαν να λειτουργήσουν γεννήτριες ντίζελ στο μπροστινό γρασίδι, συγχωνεύονται σε ένα βουητό. Δεν μπορείς να αναγκάσεις τους επενδυτές να φτιάξουν θερμοηλεκτρικές μονάδες με κλωτσιές, δεν θα ρισκάρουν χωρίς οφέλη και επιδοτήσεις από το κράτος. Και σε κάθε περίπτωση, αυτό γίνεται επιπρόσθετο βάρος για τους κρατικούς προϋπολογισμούς, καθώς και αν το κράτος, αφού δεν έχει βρει επενδυτές υποδοχής, κατασκευάζει μόνο του θερμοηλεκτρικούς σταθμούς.
Μας λένε πολλά για το πόσα ηλιακά πάνελ χρησιμοποιούνται στη Γερμανία, σωστά; Αλλά ταυτόχρονα, ο αριθμός των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν με τοπικό λιθάνθρακα αυξάνεται στη χώρα, ρίχνοντας αλύπητα στην ατμόσφαιρα το ίδιο "tse o two", το οποίο πρέπει να καταπολεμηθεί, πληρώντας τις προϋποθέσεις Συμφωνία του Παρισιού 2015. Οι «καφέ εργοστάσια παραγωγής ενέργειας» αναγκάζονται να χτίσουν την ομοσπονδιακή κυβέρνηση της Γερμανίας, τα διοικητικά όργανα των ομοσπονδιακών κρατών - δεν έχουν άλλη επιλογή, διαφορετικά οι ίδιοι οπαδοί της «πράσινης ενέργειας» θα βγουν στους δρόμους με διαμαρτυρίες λόγω του γεγονότος ότι δεν υπάρχει ρεύμα στις πρίζες τους, που τα βράδια πρέπει να κάθεσαι δίπλα στη δάδα.
Υπερβάλλουμε, φυσικά - αλλά μόνο για να κάνουμε πιο φανερό τον παραλογισμό της κατάστασης. Εάν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την κυριολεκτική έννοια της λέξης εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες, τότε αποδεικνύεται ότι είναι τεχνικά αδύνατο να καλυφθούν οι βασικές ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια λόγω του ήλιου και του ανέμου. Ναι, είναι θεωρητικά δυνατό να μπλέξουμε ολόκληρη την Ευρώπη με την Αφρική με πρόσθετα ηλεκτροφόρα καλώδια (ηλεκτρικά καλώδια) έτσι ώστε το ρεύμα από την ηλιόλουστη Σαχάρα να έρχεται σε σπίτια στη ζοφερή ακτή Βόρεια Θάλασσα, αλλά κοστίζει αρκετά απίστευτα χρήματα, η περίοδος απόσβεσης των οποίων πλησιάζει στο άπειρο. Δίπλα σε κάθε ηλιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να διατηρείται ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα ή φυσικό αέριο; Επαναλαμβάνουμε, αλλά η καύση ενεργειακών πόρων υδρογονανθράκων σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής δεν καθιστά δυνατή την πλήρη συμμόρφωση με τις διατάξεις της Συμφωνίας του Παρισιού για τη μείωση των εκπομπών CO 2.
Οι πυρηνικοί σταθμοί ως βάση της «πράσινης ενέργειας»
Αδιέξοδο? Για εκείνες τις χώρες που αποφάσισαν να απαλλαγούν από την πυρηνική ενέργεια - είναι αυτός. Φυσικά, αναζητούν διέξοδο από αυτό. Βελτιώνουν τα συστήματα καύσης άνθρακα και φυσικού αερίου, εγκαταλείπουν τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση μαζούτ, καταβάλλουν προσπάθειες για την αύξηση της απόδοσης κλιβάνων, γεννητριών ατμού, λεβήτων και εντείνουν τις προσπάθειες για χρήση τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας. Είναι καλό, είναι χρήσιμο, είναι απαραίτητο. Αλλά η Ρωσία και αυτή Rosatomπροσφέρουν μια πολύ πιο ριζοσπαστική επιλογή - την κατασκευή ενός πυρηνικού σταθμού.
Κατασκευή NPP, Φωτογραφία: rusatom-overseas.com
Σας φαίνεται παράδοξο αυτό; Ας το δούμε με βάση τη λογική. Πρώτον, δεν υπάρχουν εκπομπές CO 2 από πυρηνικούς αντιδραστήρες καθαυτές - δεν υπάρχουν χημικές αντιδράσεις, η φλόγα δεν βρυχάται βίαια μέσα τους. Επομένως, η εκπλήρωση των όρων της Συμφωνίας του Παρισιού «είναι σε ισχύ». Το δεύτερο σημείο είναι η κλίμακα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις, υπάρχουν τουλάχιστον δύο ή και οι τέσσερις αντιδραστήρες στις τοποθεσίες ενός πυρηνικού σταθμού, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς τους είναι τεράστια και ο συντελεστής χωρητικότητας υπερβαίνει σταθερά το 80%. Αυτή η «διάσπαση» ηλεκτρικής ενέργειας επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες όχι μιας πόλης, αλλά ολόκληρης της περιοχής. Αυτό είναι απλώς οι πυρηνικοί αντιδραστήρες "δεν τους αρέσει" όταν αλλάζουν την ισχύ τους. Λυπούμαστε, τώρα θα υπάρξουν μερικές τεχνικές λεπτομέρειες για να γίνει πιο σαφές τι εννοούμε.
Συστήματα ελέγχου και προστασίας πυρηνικών αντιδραστήρων
Η αρχή της λειτουργίας ενός αντιδραστήρα ισχύος δεν είναι σχηματικά τόσο περίπλοκη. Η ενέργεια των ατομικών πυρήνων μετατρέπεται στη θερμική ενέργεια του ψυκτικού, η θερμική ενέργεια μετατρέπεται στη μηχανική ενέργεια του ρότορα της ηλεκτρικής γεννήτριας, η οποία, με τη σειρά της, μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
Ατομικό - θερμικό - μηχανικό - ηλεκτρικό, τέτοιου είδους κύκλος ενεργειών.
Τελικά, η ηλεκτρική ισχύς του αντιδραστήρα εξαρτάται από την ισχύ της ελεγχόμενης, ελεγχόμενης ατομικής αλυσιδωτής αντίδρασης της σχάσης του πυρηνικού καυσίμου. Τονίζουμε - ελεγχόμενο και διαχειριζόμενο. Τι θα συμβεί αν αλυσιδωτή αντίδρασηεκτός ελέγχου και διαχείρισης, δυστυχώς, γνωρίζουμε καλά από το 1986.
Πώς ελέγχεται και ελέγχεται η πορεία μιας αλυσιδωτής αντίδρασης, τι πρέπει να γίνει ώστε η αντίδραση να μην εξαπλωθεί αμέσως σε όλο τον όγκο του ουρανίου που περιέχεται στον «ατομικό λέβητα»; Θυμόμαστε κοινές αλήθειες του σχολείου, χωρίς να μπούμε στις επιστημονικές λεπτομέρειες της πυρηνικής φυσικής - αυτό θα είναι αρκετά.
Τι είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση «στα δάχτυλα», αν κάποιος έχει ξεχάσει: ένα νετρόνιο πέταξε μέσα, έβγαλε δύο νετρόνια, δύο νετρόνια έκλεισαν τέσσερα και ούτω καθεξής. Εάν ο αριθμός αυτών των πολύ ελεύθερων νετρονίων γίνει πολύ μεγάλος, η αντίδραση σχάσης θα εξαπλωθεί σε ολόκληρο τον όγκο του ουρανίου, απειλώντας να εξελιχθεί σε «μεγάλη έκρηξη». Ναι σίγουρα, πυρηνική έκρηξηδεν λαμβάνει χώρα, απαιτεί η περιεκτικότητα του ισοτόπου ουρανίου-235 στο καύσιμο να υπερβαίνει το 60%, και στους αντιδραστήρες ισχύος ο εμπλουτισμός καυσίμου να μην υπερβαίνει το 5%. Αλλά και χωρίς ατομική έκρηξητα προβλήματα θα είναι πάνω από το κεφάλι. Το ψυκτικό υγρό θα υπερθερμανθεί, η πίεσή του στους αγωγούς θα αυξηθεί υπερκρίσιμα, μετά τη ρήξη τους, μπορεί να παραβιαστεί η ακεραιότητα των συγκροτημάτων καυσίμου και όλες οι ραδιενεργές ουσίες θα ξεσπάσουν από τον αντιδραστήρα, μολύνοντας τρελά τις γύρω περιοχές, εκραγούν στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες της καταστροφής του Τσερνομπίλ είναι γνωστές σε όλους, δεν θα επαναλάβουμε τους εαυτούς μας.
Το ατύχημα στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ, Φωτογραφία: meduza.io
Ένα από τα κύρια συστατικά κάθε πυρηνικού αντιδραστήρα είναι το σύστημα ελέγχου και προστασίας. Τα ελεύθερα νετρόνια δεν πρέπει να είναι περισσότερα από μια αυστηρά υπολογισμένη τιμή, αλλά δεν πρέπει να είναι μικρότερα από αυτήν την τιμή - αυτό θα οδηγήσει στη διάσπαση της αλυσιδωτής αντίδρασης, ο πυρηνικός σταθμός απλά θα «σηκωθεί». Μέσα στον αντιδραστήρα πρέπει να υπάρχει μια ουσία που απορροφά την περίσσεια νετρονίων, αλλά σε ποσότητα που να επιτρέπει τη συνέχιση της αλυσιδωτής αντίδρασης. Οι ατομικοί φυσικοί έχουν ανακαλύψει εδώ και καιρό ποια ουσία το κάνει καλύτερα - το ισότοπο του βορίου-10, επομένως το σύστημα ελέγχου και προστασίας ονομάζεται επίσης απλώς "βόριο".
Οι ράβδοι βορίου περιλαμβάνονται στη σχεδίαση αντιδραστήρων με μετριοπάθεια γραφίτη και νερού· έχουν τα ίδια τεχνολογικά κανάλια με τα στοιχεία καυσίμου και τα στοιχεία καυσίμου. Οι μετρητές νετρονίων στον αντιδραστήρα λειτουργούν συνεχώς, δίνοντας εντολή στο σύστημα που ελέγχει τις ράβδους βορίου να μετακινήσει τις ράβδους, βυθίζοντας ή αφαιρώντας τις από τον αντιδραστήρα. Στην αρχή της συνεδρίας καυσίμου, υπάρχει πολύ ουράνιο στον αντιδραστήρα - οι ράβδοι βορίου βυθίζονται βαθύτερα. Ο χρόνος περνάει, το ουράνιο καίγεται και οι ράβδοι βορίου αρχίζουν να εξάγονται σταδιακά - ο αριθμός των ελεύθερων νετρονίων πρέπει να παραμείνει σταθερός. Ναι, σημειώνουμε ότι υπάρχουν και ράβδοι βορίου «έκτακτης ανάγκης» που «κρέμονται» πάνω από τον αντιδραστήρα. Σε περίπτωση παραβιάσεων που θα μπορούσαν ενδεχομένως να οδηγήσουν εκτός ελέγχου την αλυσιδωτή αντίδραση, βυθίζονται στον αντιδραστήρα αμέσως, σκοτώνοντας την αλυσιδωτή αντίδραση στο μπουμπούκι. Έκρηξη αγωγού, διαρροή ψυκτικού υγρού - αυτός είναι ο κίνδυνος υπερθέρμανσης, οι ράβδοι βορίου έκτακτης ανάγκης λειτουργούν αμέσως. Ας σταματήσουμε την αντίδραση και σιγά σιγά να καταλάβουμε τι ακριβώς συνέβη και πώς να διορθωθεί το πρόβλημα και ο κίνδυνος πρέπει να μειωθεί στο μηδέν.
Τα νετρόνια είναι διαφορετικά, αλλά έχουμε ένα βόριο
Η απλή λογική, όπως μπορείτε να δείτε, δείχνει ότι η αύξηση και η μείωση της ισχύος εξόδου ενός πυρηνικού αντιδραστήρα - ένας «ελιγμός ισχύος», όπως λένε οι μηχανικοί ισχύος - είναι μια πολύ δύσκολη δουλειά, η οποία βασίζεται στην πυρηνική φυσική, την κβαντική μηχανική. Λίγο πιο «βαθιά στη διαδικασία», όχι πολύ μακριά, μην φοβάστε. Σε οποιαδήποτε αντίδραση σχάσης του καυσίμου ουρανίου, σχηματίζονται δευτερεύοντα ελεύθερα νετρόνια - τα ίδια που «έκοψαν δύο νετρόνια» στη σχολική φόρμουλα. Σε έναν αντιδραστήρα ισχύος, δύο δευτερεύοντα νετρόνια είναι πάρα πολλά· για τη δυνατότητα ελέγχου και ελέγχου της αντίδρασης, απαιτείται συντελεστής 1,02. 100 νετρόνια πέταξαν μέσα, εκτόξευσαν 200 νετρόνια και από αυτά τα 200 δευτερεύοντα νετρόνια, τα 98 θα έπρεπε να «τρώνε», να απορροφήσουν το ίδιο βόριο-10. Το βόριο καταστέλλει την υπερβολική δραστηριότητα, σας το λέμε σίγουρα.
Αλλά θυμηθείτε τι συμβαίνει αν ταΐσετε ένα παιδί με έναν κουβά παγωτό - τρώει τις πρώτες 5-6 μερίδες με ευχαρίστηση και μετά φεύγει, γιατί «δεν χωράει πια». Οι άνθρωποι αποτελούνται από άτομα, και επομένως ο χαρακτήρας των ατόμων δεν είναι τίποτα ιδιαίτερο από τον δικό μας. Το βόριο-10 μπορεί να φάει νετρόνια, αλλά όχι άπειρη ποσότητα, το ίδιο "δεν ταιριάζει πια" σίγουρα θα έρθει. Γενειοφόροι με λευκά παλτά στα πυρηνικά εργοστάσια υποψιάζονται ότι πολλοί άνθρωποι μαντεύουν ότι οι πυρηνικοί επιστήμονες παραμένουν στην καρδιά τους περίεργα παιδιά, έτσι προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν όσο το δυνατόν περισσότερο λεξιλόγιο για "ενήλικες". Το βόριο στο λεξικό τους δεν «καταβροχθίστηκε από νετρόνια», αλλά «κάηκε» - αυτό ακούγεται πολύ πιο συμπαγές, βλέπετε. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά κάθε απαίτηση των δικτύων ισχύος για «σίγαση του αντιδραστήρα» οδηγεί σε πιο έντονη εξάντληση του συστήματος προστασίας και ελέγχου του βορίου, προκαλώντας πρόσθετες δυσκολίες.
Μοντέλο του αντιδραστήρα σε "γρήγορα" νετρόνια, Φωτογραφία: topwar.ru
Με συντελεστή 1,02, όλα δεν είναι επίσης τόσο απλά, αφού εκτός από τα άμεσο δευτερεύοντα νετρόνια που προκύπτουν αμέσως μετά την αντίδραση σχάσης, υπάρχουν και καθυστερημένα. Μετά τη σχάση, το άτομο ουρανίου καταρρέει και νετρόνια πετούν επίσης από αυτά τα θραύσματα, αλλά μετά από λίγα μικροδευτερόλεπτα. Είναι λίγα από αυτά σε σύγκριση με τα στιγμιαία, μόνο περίπου 1%, αλλά με συντελεστή 1,02 είναι πολύ σημαντικά, γιατί το 1,02 είναι μια αύξηση μόλις 2%. Επομένως, ο υπολογισμός της ποσότητας του βορίου πρέπει να πραγματοποιείται με ακριβή ακρίβεια, ισορροπώντας συνεχώς στη λεπτή γραμμή "αντίδραση εκτός ελέγχου - απρογραμμάτιστη διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα". Ως εκ τούτου, ως απάντηση σε κάθε ζήτηση "δώστε αέριο!" ή "σιγά, γιατί είσαι τόσο εκνευρισμένος!" αρχίζει η αλυσιδωτή αντίδραση της βάρδιας του πυρηνικού σταθμού, όταν κάθε πυρηνικός μηχανικός από τη σύνθεσή του προτείνει μεγάλη ποσότηταιδιωματικές εκφράσεις...
Και για άλλη μια φορά για τους πυρηνικούς σταθμούς ως βάση της «πράσινης ενέργειας»
Τώρα ας επιστρέψουμε στο σημείο που σταματήσαμε - με μεγάλη δυναμικότητα παραγωγής ενέργειας, σε μια μεγάλη περιοχή που εξυπηρετείται από πυρηνικούς σταθμούς. Όσο μεγαλύτερη είναι η επικράτεια, τόσο περισσότερες ευκαιρίες για τοποθέτηση σταθμών ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε αυτήν. Όσο περισσότερα τέτοια ES, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα η μέγιστη κατανάλωση να συμπέσει με την περίοδο της μεγαλύτερης γενιάς τους. Από εδώ προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια από τα ηλιακά πάνελ, από εδώ προέρχεται η αιολική ενέργεια, από εδώ ένα παλιρροϊκό κύμα χτυπά επιτυχώς στο πλάι και μαζί θα εξομαλύνουν το φορτίο αιχμής, θα επιτρέψουν στους πυρηνικούς επιστήμονες στα πυρηνικά εργοστάσια να πίνουν τσάι με την ησυχία του, κοιτάζοντας μονότονα, χωρίς διακοπές, μετρητές νετρονίων.
Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, hsto.org
Όσο πιο ήρεμη είναι η κατάσταση στο πυρηνικό εργοστάσιο, τόσο πιο παχύσαρκοι γίνονται οι μπιφτέκι, γιατί μπορούν να συνεχίσουν να ψήνουν τα λουκάνικα τους χωρίς κανένα πρόβλημα. Όπως μπορείτε να δείτε, δεν υπάρχει τίποτα παράδοξο στον συνδυασμό των ΑΠΕ που βασίζονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στην πυρηνική παραγωγή ως βασικό, όλα είναι ακριβώς το αντίθετο - ένας τέτοιος συνδυασμός, αν ο κόσμος έχει αποφασίσει σοβαρά να καταπολεμήσει τις εκπομπές CO 2, είναι η καλύτερη διέξοδος από την κατάσταση, σε καμία περίπτωση ακυρώνοντας όλες τις επιλογές εκσυγχρονισμών και βελτιώσεων των θερμοηλεκτρικών σταθμών, για τις οποίες μιλήσαμε.
Συνεχίζοντας το "στυλ καγκουρό", προτείνουμε "να μεταβείτε" στην πρώτη φράση αυτού του άρθρου - σχετικά με το πεπερασμένο κάθε παραδοσιακό ενεργειακό πόρο στον πλανήτη Γη. Εξαιτίας αυτού, η κύρια, στρατηγική κατεύθυνση στην ανάπτυξη της ενέργειας είναι η κατάκτηση μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης, αλλά η τεχνολογία της είναι απίστευτα πολύπλοκη, απαιτεί συντονισμένες, κοινές προσπάθειες επιστημόνων και σχεδιαστών από όλες τις χώρες, σοβαρές επενδύσειςκαι πολλά χρόνια σκληρής δουλειάς. Πόσος χρόνος χρειάζεται, τώρα μπορείτε να μαντέψετε για το κατακάθι του καφέ ή το εσωτερικό των πουλιών, αλλά πρέπει να στοιχηματίσετε, φυσικά, στο πιο απαισιόδοξο σενάριο. Είναι απαραίτητο να αναζητήσουμε καύσιμο που μπορεί να παρέχει την ίδια βασική γενιά για τη μεγαλύτερη δυνατή περίοδο. Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο φαίνεται να είναι γεμάτα, αλλά ο πληθυσμός του πλανήτη αυξάνεται, και νέα και νέα βασίλεια-κράτη αγωνίζονται για το επίπεδο κατανάλωσης το ίδιο όπως στις χώρες του «χρυσού δισεκατομμυρίου». Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των γεωλόγων, απομένουν 100-150 χρόνια από ορυκτά καύσιμα υδρογονανθράκων στη Γη, εκτός εάν η κατανάλωση αυξάνεται με ταχύτερο ρυθμό από αυτη τη ΣΤΙΓΜΗ. Και φαίνεται ότι θα γίνει, καθώς ο πληθυσμός των αναπτυσσόμενων χωρών λαχταρά για αυξημένα επίπεδα άνεσης...
Γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων
Προτάθηκε από τους Ρώσους πυρηνικό έργοΗ διέξοδος από αυτήν την κατάσταση είναι γνωστή, είναι το κλείσιμο του κύκλου του πυρηνικού καυσίμου με τη συμμετοχή στη διαδικασία πυρηνικών αντιδραστήρων, ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων. Ένας βελτιωτής είναι ένας αντιδραστήρας στον οποίο, ως αποτέλεσμα μιας συνόδου καυσίμου, παράγεται περισσότερο πυρηνικό καύσιμο στην έξοδο από ό,τι είχε αρχικά φορτωθεί, ένας αντιδραστήρας αναπαραγωγής. Όσοι δεν έχουν ξεχάσει τελείως το μάθημα της σχολικής φυσικής μπορεί κάλλιστα να κάνουν το ερώτημα: με συγχωρείτε, αλλά τι γίνεται με τον νόμο της διατήρησης της μάζας; Η απάντηση είναι απλή - δεν υπάρχει περίπτωση, γιατί σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα και οι δύο διαδικασίες είναι πυρηνικές και ο νόμος της διατήρησης της μάζας δεν λειτουργεί στην κλασική του μορφή.
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια στην ειδική θεωρία της σχετικότητας συνέδεσε τη μάζα και την ενέργεια, και στους πυρηνικούς αντιδραστήρες αυτή η θεωρία είναι μια καθαρή πρακτική. Η συνολική ποσότητα ενέργειας διατηρείται, αλλά η διατήρηση της συνολικής ποσότητας μάζας σε αυτή την περίπτωση αποκλείεται. Στα άτομα του πυρηνικού καυσίμου, ένα τεράστιο απόθεμα ενέργειας «κοιμάται», που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης σχάσης, χρησιμοποιούμε μέρος αυτού του αποθέματος προς όφελός μας και το άλλο μέρος ως εκ θαύματοςμετατρέπει τα άτομα ουρανίου-238 σε ένα μείγμα ισοτόπων πλουτωνίου. Οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων, και μόνο αυτοί, καθιστούν δυνατή τη μετατροπή του κύριου συστατικού του μεταλλεύματος ουρανίου, του ουρανίου-238, σε πηγή καυσίμου. Τα αποθέματα ουρανίου-235 που έχουν εξαντληθεί σε περιεχόμενο, το οποίο δεν χρησιμοποιείται σε θερμικούς ατομικούς αντιδραστήρες ουρανίου-238, που συσσωρεύονται κατά τη λειτουργία πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σε θερμικά νετρόνια, ανέρχονται σε εκατοντάδες χιλιάδες τόνους, οι οποίοι δεν χρειάζονται πλέον εξόρυξη από ορυχεία, τα οποία δεν χρειάζεται πλέον να «ξεφλουδίζονται» από απόβλητα πετρώματα - σε εργοστάσια εμπλουτισμού ουρανίου απίστευτη ποσότητα.
καύσιμο MOX "στα δάχτυλα"
Θεωρητικά ξεκάθαρο, αλλά όχι εντελώς, οπότε ας προσπαθήσουμε ξανά «στα δάχτυλα». Το ίδιο το όνομα "MOX fuel" είναι απλώς μια αγγλική συντομογραφία γραμμένη στο σλαβικό αλφάβητο, το οποίο γράφεται ως MOX. Αποκρυπτογράφηση - Καύσιμο μικτού οξειδίου, δωρεάν μετάφραση - "καύσιμο από μικτά οξείδια". Βασικά, αυτός ο όρος νοείται ως ένα μείγμα οξειδίου του πλουτωνίου και οξειδίου του ουρανίου, αλλά αυτό είναι μόνο βασικά. Δεδομένου ότι οι αξιότιμοι Αμερικανοί εταίροι μας δεν μπόρεσαν να κατακτήσουν την τεχνολογία παραγωγής καυσίμου MOX από πλουτώνιο υψηλής ποιότητας, η Ρωσία εγκατέλειψε επίσης αυτή την επιλογή. Αλλά το εργοστάσιο που κατασκευάσαμε σχεδιάστηκε εκ των προτέρων ως καθολική μονάδα - είναι ικανό να παράγει καύσιμο MOX από αναλωθέν πυρηνικό καύσιμο από θερμικούς αντιδραστήρες. Αν κάποιος έχει διαβάσει τα άρθρα Geoenergetics.ruΜε αυτή την ευκαιρία, θυμάται ότι τα ισότοπα πλουτωνίου 239, 240 και 241 στο αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο είναι ήδη «αναμεμιγμένα» - υπάρχει το 1/3 από αυτά το καθένα, επομένως υπάρχει ένα μείγμα πλουτωνίου στο καύσιμο MOX που δημιουργείται από αναλωθέν πυρηνικό καύσιμο, όπως π.χ. ένα μείγμα μέσα σε ένα μείγμα.
Το δεύτερο μέρος του κύριου μείγματος είναι το απεμπλουτισμένο ουράνιο. Υπερβολή: παίρνουμε ένα μείγμα οξειδίου του πλουτωνίου που εξάγεται από αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο χρησιμοποιώντας τη διαδικασία PUREX, προσθέτουμε ουράνιο-238 χωρίς ιδιοκτήτη και παίρνουμε καύσιμο MOX. Ταυτόχρονα, το ουράνιο-238 δεν συμμετέχει στην αλυσιδωτή αντίδραση, μόνο ένα μείγμα ισοτόπων πλουτωνίου «καίγεται». Αλλά το ουράνιο-238 δεν είναι απλώς «παρών» - περιστασιακά, απρόθυμα, από καιρό σε καιρό παίρνει ένα νετρόνιο στον εαυτό του, μετατρέποντας σε πλουτώνιο-239. Κάποιο από αυτό το νέο πλουτώνιο "καίγεται" αμέσως και μερικά απλά δεν έχουν χρόνο να το κάνουν πριν από το τέλος της συνεδρίας καυσίμου. Αυτό, στην πραγματικότητα, είναι όλο το μυστικό.
Οι αριθμοί είναι υπό όρους, λαμβάνονται από την οροφή, για λόγους σαφήνειας. Η αρχική σύνθεση του καυσίμου MOX περιέχει 100 κιλά οξειδίου του πλουτωνίου και 900 κιλά ουρανίου-238. Όσο «καιγόταν» το πλουτώνιο, 300 κιλά ουρανίου-238 μετατράπηκαν σε επιπλέον πλουτώνιο, εκ των οποίων τα 150 κιλά «κάηκαν αμέσως», και 150 κιλά δεν είχαν χρόνο. Έβγαλαν τα συγκροτήματα καυσίμου, «έβγαλαν» πλουτώνιο από αυτό, αλλά αποδείχτηκε ότι ήταν 50 κιλά περισσότερα από ό,τι ήταν αρχικά. Λοιπόν, ή εδώ είναι το ίδιο πράγμα, αλλά σε καυσόξυλα: Έριξα 2 κούτσουρα στην εστία, η σόμπα σας ζεστάθηκε όλη τη νύχτα και το πρωί έβγαλες από αυτήν ... τρία κούτσουρα. Από 900 κιλά άχρηστου ουρανίου-238, που δεν συμμετέχει στην αλυσιδωτή αντίδραση, όταν χρησιμοποιήθηκε ως μέρος του καυσίμου MOX, προέκυψαν 150 κιλά καυσίμου, τα οποία αμέσως «κάηκαν» προς όφελός μας και έμειναν ακόμη και 150 κιλά. για περαιτέρω χρήση. Και αυτή η χωματερή, το άχρηστο ουράνιο-238 έχει γίνει 300 κιλά λιγότερο, κάτι που επίσης δεν είναι κακό.
Οι πραγματικές αναλογίες απεμπλουτισμένου ουρανίου-238 και πλουτωνίου στο καύσιμο MOX, φυσικά, είναι διαφορετικές, καθώς παρουσία 7% πλουτωνίου στο καύσιμο MOX, το μείγμα συμπεριφέρεται σχεδόν το ίδιο με το συμβατικό καύσιμο ουρανίου με εμπλουτισμό σε ουράνιο-235 περίπου 5%. Αλλά τα στοιχεία που εφεύραμε δείχνουν την κύρια αρχή του καυσίμου MOX - το άχρηστο ουράνιο-238 μετατρέπεται σε πυρηνικό καύσιμο, τα τεράστια αποθέματά του γίνονται ενεργειακός πόρος. Σύμφωνα με πρόχειρες εκτιμήσεις, αν υποθέσουμε ότι στη Γη σταματήσουμε να χρησιμοποιούμε καύσιμα υδρογονανθράκων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στραφούμε μόνο στη χρήση ουρανίου-238, θα έχουμε αρκετό από αυτό για 2.500 έως 3.000 χρόνια. Αρκετά αξιοπρεπές περιθώριο χρόνου για να έχουμε χρόνο για να κατακτήσουμε την τεχνολογία της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης.
Το καύσιμο MOX καθιστά δυνατή την ταυτόχρονη επίλυση ενός άλλου προβλήματος - τη μείωση των αποθεμάτων αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου που συσσωρεύονται σε όλες τις χώρες μέλη της "πυρηνικής λέσχης" και τη μείωση της ποσότητας ραδιενεργών αποβλήτων που συσσωρεύονται στα αναλωμένα πυρηνικά καύσιμα. Δεν πρόκειται για κάποιες υπέροχες ιδιότητες του καυσίμου MOX, όλα είναι πιο πεζά. Εάν το χρησιμοποιημένο πυρηνικό καύσιμο δεν χρησιμοποιηθεί, αλλά κάποιος προσπαθήσει να το στείλει σε μια αιώνια γεωλογική διάθεση, τότε όλα τα απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας που περιέχει θα πρέπει να σταλούν στη διάθεση μαζί με αυτά. Όμως, η χρήση τεχνολογιών για την επεξεργασία αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου προκειμένου να εξαχθεί πλουτώνιο από αυτό ηθελημένα μας αναγκάζει να μειώσουμε τον όγκο αυτών των ραδιενεργών αποβλήτων. Στον αγώνα για τη χρήση του πλουτωνίου, είμαστε απλώς αναγκασμένοι να καταστρέψουμε ραδιενεργά απόβλητα, αλλά ταυτόχρονα, η διαδικασία μιας τέτοιας καταστροφής γίνεται πολύ λιγότερο δαπανηρή - σε τελική ανάλυση, χρησιμοποιείται πλουτώνιο.
Το καύσιμο MOX είναι μια ακριβή απόλαυση που πρέπει να γίνει φθηνή
Ταυτόχρονα, η παραγωγή καυσίμου MOX στη Ρωσία ξεκίνησε πολύ πρόσφατα, ακόμη και στον νεότερο, πιο προηγμένο τεχνολογικά αντιδραστήρα γρήγορου νετρονίου - BN-800, η μετάβαση στην 100% χρήση του καυσίμου MOX πραγματοποιείται στο διαδίκτυο, επίσης δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμη . Είναι πολύ φυσικό ότι αυτή τη στιγμή η παραγωγή καυσίμου MOX είναι πιο ακριβή από την παραγωγή παραδοσιακού ουρανίου. Η μείωση του κόστους παραγωγής, όπως σε κάθε άλλη βιομηχανία, είναι δυνατή, πρώτα απ 'όλα, λόγω της μαζικής παραγωγής, «γραμμής συναρμολόγησης».
Κατά συνέπεια, για να είναι οικονομικά εφικτό το κλείσιμο του κύκλου του πυρηνικού καυσίμου, η Ρωσία χρειάζεται μεγαλύτερο αριθμό ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων· αυτός θα πρέπει να γίνει στρατηγική γραμμή για την ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας. Περισσότεροι αντιδραστήρες - καλοί και διαφορετικοί!
Ταυτόχρονα, είναι απαραίτητο να μην ξεχνάμε τη δεύτερη δυνατότητα χρήσης καυσίμου MOX - ως καύσιμο για αντιδραστήρες VVER. Οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων δημιουργούν μια τέτοια πρόσθετη ποσότητα πλουτωνίου που οι ίδιοι δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν πραγματικά πια - απλά δεν χρειάζονται τόσο πολύ, υπάρχει αρκετό πλουτώνιο για τους αντιδραστήρες VVER. Γράψαμε ήδη παραπάνω ότι το καύσιμο MOX, στο οποίο το 93% του απεμπλουτισμένου ουρανίου-238 είναι το 7% του πλουτωνίου, συμπεριφέρεται σχεδόν το ίδιο με το συμβατικό καύσιμο ουρανίου. Ναι, μόνο η χρήση καυσίμου MOX σε θερμικούς αντιδραστήρες οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των απορροφητών νετρονίων που χρησιμοποιούνται στο VVER. Ο λόγος για αυτό είναι ότι το βόριο-10 απορροφά γρήγορα νετρόνια πολύ χειρότερα - αυτά είναι τα φυσικά του χαρακτηριστικά που δεν μπορούμε να επηρεάσουμε με κανέναν τρόπο. Το ίδιο πρόβλημα προκύπτει με τις ράβδους βορίου έκτακτης ανάγκης, σκοπός των οποίων είναι να σταματήσουν αμέσως την αλυσιδωτή αντίδραση σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.
Μια λογική διέξοδος είναι η μείωση της ποσότητας καυσίμου MOX στο VVER στο 30-50%, η οποία εφαρμόζεται ήδη σε ορισμένους αντιδραστήρες ελαφρού νερού στη Γαλλία, την Ιαπωνία και άλλες χώρες. Αλλά ακόμη και σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να χρειαστεί να εκσυγχρονιστεί το σύστημα βορίου και να διεξαχθούν όλες οι απαραίτητες δικαιολογίες ασφαλείας, συνεργασία με τις εποπτικές αρχές του ΔΟΑΕ για την απόκτηση αδειών για τη χρήση καυσίμου MOX σε θερμικούς αντιδραστήρες. Ή, εν ολίγοις, θα πρέπει να αυξηθεί ο αριθμός των ράβδων βορίου, τόσο αυτών που προορίζονται για έλεγχο όσο και εκείνων που «αποθηκεύονται» σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης. Αλλά μόνο η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών θα καταστήσει δυνατή τη μετάβαση στη μαζική παραγωγή αυτού του τύπου καυσίμου, για τη μείωση του κόστους παραγωγής του. Ταυτόχρονα, αυτό θα καταστήσει δυνατή την επίλυση των προβλημάτων της μείωσης της ποσότητας αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου πολύ πιο ενεργά και την ενεργότερη χρήση των αποθεμάτων απεμπλουτισμένου ουρανίου.
Οι προοπτικές είναι κοντά, αλλά ο δρόμος δεν είναι εύκολος
Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, σε συνδυασμό με την κατασκευή αντιδραστήρων-δημιουργών πλουτωνίου υψηλής ποιότητας - αντιδραστήρες σε γρήγορα νετρόνια θα επιτρέψει στη Ρωσία όχι μόνο να κλείσει τον κύκλο του πυρηνικού καυσίμου, αλλά και να τον κάνει οικονομικά ελκυστικό. Υπάρχουν επίσης μεγάλες προοπτικές για τη χρήση καυσίμου MNUP (καύσιμο μικτού νιτριδίου ουρανίου-πλουτωνίου). Τα πειραματικά συγκροτήματα καυσίμου, τα οποία ακτινοβολήθηκαν στον αντιδραστήρα BN-600 το 2016, έχουν ήδη αποδείξει την αποτελεσματικότητά τους τόσο σε δοκιμές αντιδραστήρων όσο και ως αποτέλεσμα μελετών μετά τον αντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν χρησιμοποιούνται για τη συνέχιση των εργασιών σχετικά με την αιτιολόγηση της χρήσης καυσίμου MNUP στη δημιουργία της εγκατάστασης αντιδραστήρα BREST-300 και των επιτόπιων μονάδων για την παραγωγή καυσίμου MNUP του υπό κατασκευή πιλοτικού συγκροτήματος επίδειξης στο Seversk. Το BREST-300 θα επιτρέψει τη συνέχιση της ανάπτυξης των τεχνολογιών που είναι απαραίτητες για το πλήρες κλείσιμο του κύκλου του πυρηνικού καυσίμου, την παροχή πληρέστερης λύσης στα προβλήματα των αναλωμένων πυρηνικών καυσίμων και των ραδιενεργών αποβλήτων και την εφαρμογή της ιδεολογίας της «επιστροφής στη φύση». τόση ραδιενέργεια όση εξήχθη». Ο αντιδραστήρας BREST-300, όπως και οι αντιδραστήρες BN, είναι ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων, που τονίζει μόνο την ορθότητα της στρατηγικής κατεύθυνσης για την ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας - ένας συνδυασμός υδρόψυκτων αντιδραστήρων και ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων.
Η κυριαρχία της τεχνολογίας 100% χρήσης καυσίμου MOX στο BN-800 παρέχει επίσης τη δυνατότητα δημιουργίας αντιδραστήρων BN-1200, οι οποίοι όχι μόνο είναι πιο ισχυροί, αλλά και οικονομικά πιο κερδοφόροι. Η απόφαση για τη δημιουργία του αντιδραστήρα BN-1200 στη Ρωσία έχει ληφθεί, πράγμα που σημαίνει ότι ο ρυθμός της ερευνητικής εργασίας από ειδικούς πυρηνικής ενέργειας θα πρέπει μόνο να αυξηθεί και η δημιουργία του MBIR, που έχει προγραμματιστεί για το 2020, μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση όλων των προβλημάτων. στον έλεγχο της τεχνολογίας του πλήρους κλεισίματος του πυρηνικού κύκλου του καυσίμου. Η Ρωσία ήταν και παραμένει η μόνη χώρα που δημιούργησε αντιδραστήρες ταχείας ενέργειας νετρονίων, διασφαλίζοντας την παγκόσμια ηγεσία μας σε αυτόν τον σημαντικό τομέα της πυρηνικής ενέργειας.
Φυσικά, όλα όσα αναφέρθηκαν είναι απλώς μια πρώτη γνωριμία με τα χαρακτηριστικά των ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων, αλλά θα προσπαθήσουμε να συνεχίσουμε, καθώς αυτό το θέμα είναι σημαντικό και, κατά τη γνώμη μας, αρκετά ενδιαφέρον.
Σε επαφή με
Πυρηνικός σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειαςχρησιμοποιούνται σε πυρηνικούς σταθμούς, σε δορυφόρους της Γης, σε μεγάλο θαλάσσιες μεταφορές, το κύριο στοιχείο του οποίου είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας.
πυρηνικός αντιδραστήραςονομάζεται συσκευή στην οποία πραγματοποιείται ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης βαρέων πυρήνων, συνοδευόμενη από απελευθέρωση ενέργειας. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, προϋπόθεση για την υλοποίηση μιας αυτοσυντηρούμενης πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης είναι η παρουσία επαρκούς αριθμού δευτερογενών νετρονίων που προκύπτουν κατά τη διαδικασία σχάσης ενός βαρέως πυρήνα σε ελαφρύτερους πυρήνες (θραύσματα) και έχουν την ευκαιρία να συμμετάσχουν στην περαιτέρω διαδικασία σχάσης βαρέων πυρήνων.
Τα κύρια μέρη ενός πυρηνικού αντιδραστήρα οποιουδήποτε τύπου είναι:
1) πυρήναςόπου βρίσκεται το πυρηνικό καύσιμο, προχωρά μια αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσης και απελευθερώνεται ενέργεια.
2) ανακλαστήρας νετρονίων, το οποίο περιβάλλει τον πυρήνα και συμβάλλει στη μείωση της διαρροής νετρονίων από τον πυρήνα αντανακλώντας τα πίσω στον πυρήνα. Τα υλικά ανάκλασης θα πρέπει να έχουν μικρή πιθανότητα δέσμευσης νετρονίων, αλλά υψηλή πιθανότητα ελαστικής σκέδασής τους.
3) ψυκτικό- χρησιμοποιείται για την αφαίρεση θερμότητας από τον πυρήνα.
4) σύστημα ελέγχου και ρύθμισης της αλυσιδωτής αντίδρασης;
5) σύστημα βιολογικής προστασίας(ακτινοπροστασία), που προστατεύει το προσωπικό λειτουργίας από τις βλαβερές συνέπειες της ιονίζουσας ακτινοβολίας.
Σε πυρηνικούς αντιδραστήρες με αργά νετρόνια, η ενεργή ζώνη, εκτός από το πυρηνικό καύσιμο, περιέχει έναν μετριαστή των γρήγορων νετρονίων που σχηματίζονται κατά την αλυσιδωτή αντίδραση της σχάσης των ατομικών πυρήνων. Χρησιμοποιούνται συντονιστές (γραφίτης), καθώς και οργανικά υγρά και νερό, τα οποία μπορούν ταυτόχρονα να χρησιμεύσουν ως ψυκτικό. Εάν δεν υπάρχει μεσολαβητής στην ενεργή ζώνη, τότε το κύριο μέρος της πυρηνικής σχάσης συμβαίνει υπό την επίδραση ταχέων νετρονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από 10 keV. Ένας αντιδραστήρας χωρίς μεσολαβητή - ένας αντιδραστήρας γρήγορου νετρονίου - μπορεί να γίνει κρίσιμος μόνο όταν χρησιμοποιείται φυσικό ουράνιο εμπλουτισμένο σε ισότοπο U σε συγκέντρωση περίπου 10%.
Στον πυρήνα του αργού αντιδραστήρα νετρονίων υπάρχουν στοιχεία καυσίμου που περιέχουν ένα μείγμα U και U και ένας συντονιστής στον οποίο τα νετρόνια μετριάζονται σε ενέργεια περίπου 1 eV. Στοιχεία καυσίμου (TVEL)είναι μπλοκ σχάσιμου υλικού που περικλείονται σε ένα ερμητικό κέλυφος που απορροφά ασθενώς τα νετρόνια. Λόγω της ενέργειας σχάσης, τα στοιχεία καυσίμου θερμαίνονται και αντανακλούν την ενέργεια στο ψυκτικό που κυκλοφορεί στα κανάλια.
Τα TVEL υπόκεινται σε υψηλά τεχνικές απαιτήσεις: απλότητα σχεδιασμού. μηχανική σταθερότητα και αντοχή στη ροή του ψυκτικού υγρού, εξασφαλίζοντας τη διατήρηση των διαστάσεων και της στεγανότητας. χαμηλή απορρόφηση νετρονίων από το δομικό υλικό του στοιχείου καυσίμου και ελάχιστο δομικό υλικό στον πυρήνα. απουσία αλληλεπίδρασης πυρηνικού καυσίμου και προϊόντων σχάσης με την επένδυση ράβδων καυσίμου, το ψυκτικό και τον συντονιστή σε θερμοκρασίες λειτουργίας. Το γεωμετρικό σχήμα του στοιχείου καυσίμου πρέπει να διασφαλίζει την απαιτούμενη αναλογία επιφάνειας και όγκου και τη μέγιστη ένταση απομάκρυνσης θερμότητας από το ψυκτικό από ολόκληρη την επιφάνεια του στοιχείου καυσίμου, καθώς και να εγγυάται μεγάλη καύση πυρηνικού καυσίμου και υψηλό βαθμό διατήρηση των προϊόντων σχάσης. Οι ράβδοι καυσίμου πρέπει να έχουν αντοχή στην ακτινοβολία, απλότητα και οικονομία αναγέννησης πυρηνικού καυσίμου και χαμηλό κόστος, να έχουν τις απαιτούμενες διαστάσεις και σχεδιασμό, που να παρέχουν τη δυνατότητα γρήγορης εκτέλεσης εργασιών ανεφοδιασμού.
Για λόγους ασφαλείας, η αξιόπιστη στεγανότητα της επένδυσης της ράβδου καυσίμου πρέπει να διατηρείται καθ' όλη την περίοδο λειτουργίας του πυρήνα.
(3–5 έτη) και επακόλουθη αποθήκευση ράβδων αναλωμένου καυσίμου μέχρι να σταλούν για επεξεργασία (1–3 χρόνια). Κατά το σχεδιασμό του πυρήνα, είναι απαραίτητο να καθοριστούν και να αιτιολογηθούν εκ των προτέρων τα επιτρεπόμενα όρια ζημιάς για τις ράβδους καυσίμου (ο αριθμός και ο βαθμός βλάβης). Ο πυρήνας είναι σχεδιασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε κατά τη λειτουργία καθ' όλη την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής του, να μην ξεπερνιούνται τα καθορισμένα όρια ζημιών για τα στοιχεία καυσίμου. Η συμμόρφωση με αυτές τις απαιτήσεις διασφαλίζεται από το σχεδιασμό του πυρήνα, την ποιότητα του ψυκτικού υγρού, τα χαρακτηριστικά και την αξιοπιστία του συστήματος απομάκρυνσης θερμότητας. Κατά τη διαδικασία λειτουργίας, είναι δυνατή η στεγανότητα της επένδυσης μεμονωμένων στοιχείων καυσίμου. Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιων παραβιάσεων: ο σχηματισμός μικρορωγμών μέσω των οποίων τα αέρια προϊόντα σχάσης εξέρχονται από το στοιχείο καυσίμου στο ψυκτικό υγρό (ελάττωμα του τύπου πυκνότητας αερίου). την εμφάνιση ελαττωμάτων στα οποία είναι δυνατή η άμεση επαφή του καυσίμου με το ψυκτικό.
Η αλυσιδωτή αντίδραση ελέγχεται από ειδικές ράβδους ελέγχου κατασκευασμένες από υλικά που απορροφούν έντονα νετρόνια (για παράδειγμα, βόριο, κάδμιο). Με την αλλαγή του αριθμού και του βάθους βύθισης των ράβδων ελέγχου, είναι δυνατό να ρυθμιστούν οι ροές νετρονίων και, κατά συνέπεια, η ένταση της αλυσιδωτής αντίδρασης και η παραγωγή ενέργειας.
Επί του παρόντος, έχει αναπτυχθεί ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μοντέλων πυρηνικών αντιδραστήρων, τα οποία διαφέρουν ως προς τον τύπο πυρηνικού καυσίμου (ουράνιο, πλουτώνιο), χημική σύνθεσηπυρηνικό καύσιμο (ουράνιο, διοξείδιο ουρανίου), ανά τύπο ψυκτικού μέσου (νερό, βαρύ νερό, οργανικοί διαλύτες και άλλα), κατά τύπο μέσου ελέγχου (γραφίτης, νερό, βηρύλλιο).
Οι αντιδραστήρες στους οποίους η πυρηνική σχάση παράγεται κυρίως από νετρόνια με ενέργειες μεγαλύτερες από 0,5 MeV ονομάζονται ταχείς αντιδραστήρες νετρονίων. Οι αντιδραστήρες στους οποίους οι περισσότερες σχάσεις συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της απορρόφησης ενδιάμεσων νετρονίων από τους πυρήνες των σχάσιμων ισοτόπων ονομάζονται ενδιάμεσοι (συντονιζόμενοι) αντιδραστήρες νετρονίων.
Τα πιο κοινά στους πυρηνικούς σταθμούς είναι αντιδραστήρες καναλιών υψηλής ισχύος(RBMK) και (VVER).
Ο πυρήνας του RBMK με διάμετρο 11,8 m και ύψος 7 m είναι μια κυλινδρική τοιχοποιία που αποτελείται από μπλοκ γραφίτη - τον συντονιστή. Κάθε μπλοκ έχει μια τρύπα για το τεχνολογικό κανάλι (σύνολο 1700).
Κάθε κανάλι έχει δύο στοιχεία καυσίμου σε μορφή κοίλων σωλήνων με διάμετρο 13,5 mm και μήκος 3,5 m, τα τοιχώματα των οποίων έχουν πάχος 0,9 mm και είναι κατασκευασμένα από κράμα ζιρκονίου. Τα στοιχεία καυσίμου γεμίζονται με σφαιρίδια διοξειδίου ουρανίου εμπλουτισμένου έως 2% U. Η συνολική μάζα καυσίμου στον πυρήνα RBMK είναι 190 τόνοι. Κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα, τα στοιχεία καυσίμου ψύχονται από ροές ψυκτικού (νερό) τα κανάλια της διαδικασίας.
Το σχηματικό διάγραμμα του αντιδραστήρα RBMK-1000 φαίνεται στην εικ. 7.
Ρύζι. 7. Αντιδραστήρας καναλιού υψηλής ισχύος σε θερμικά νετρόνια
1 - στροβιλογεννήτρια 2 - ράβδοι ελέγχου. 3 - τύμπανα διαχωρισμού.
4 - πυκνωτές? 5 – συντονιστής γραφίτη· 6 – ενεργή ζώνη.
7 - ράβδοι καυσίμου. 8 – προστατευτικό κέλυφος από σκυρόδεμα
Για τον έλεγχο μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης που συμβαίνει σε ράβδους καυσίμου, ράβδοι ρύθμισης και ελέγχου από κάδμιο ή βόριο, που απορροφούν καλά τα νετρόνια, εισάγονται σε ειδικά κανάλια. Οι ράβδοι κινούνται ελεύθερα κατά μήκος ειδικών καναλιών. Το βάθος βύθισης της ράβδου ελέγχου καθορίζει τον βαθμό απορρόφησης νετρονίων. Κατά μήκος της περιφέρειας του πυρήνα υπάρχει ένα στρώμα ανακλαστήρα νετρονίων - τα ίδια μπλοκ γραφίτη, αλλά χωρίς κανάλια.
Η τοιχοποιία από γραφίτη περιβάλλεται από μια κυλινδρική χαλύβδινη δεξαμενή με νερό, η οποία είναι σχεδιασμένη για βιολογική προστασία από νετρόνια και ακτινοβολία γάμμα. Επιπλέον, ο αντιδραστήρας βρίσκεται σε τσιμεντένιο άξονα διαστάσεων 21,6×21,6×25,5 m.
Έτσι, τα κύρια στοιχεία του RBMK είναι στοιχεία καυσίμου γεμάτα με πυρηνικό καύσιμο, ένα υποκατάστατο νετρονίων και ανακλαστήρας, ένα ψυκτικό υγρό και ράβδοι ελέγχου που ελέγχουν την ανάπτυξη μιας αντίδρασης πυρηνικής σχάσης.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με αντιδραστήρα τύπου RBMK έχει ως εξής. Τα δευτερεύοντα γρήγορα νετρόνια που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της σχάσης των πυρήνων U εγκαταλείπουν τα στοιχεία καυσίμου και εισέρχονται στον συντονιστή γραφίτη. Ως αποτέλεσμα της διέλευσης από τον συντονιστή, χάνουν σημαντικό μέρος της ενέργειάς τους και, ήδη θερμικά, πέφτουν ξανά σε ένα από τα γειτονικά στοιχεία καυσίμου και συμμετέχουν στην περαιτέρω διαδικασία της πυρηνικής σχάσης U. Η ενέργεια της πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης απελευθερώνεται με τη μορφή της κινητικής ενέργειας των «θραυσμάτων» (80%), των δευτερογενών νετρονίων, των σωματιδίων άλφα, του βήτα και των γάμμα κβαντών, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται η θέρμανση των στοιχείων καυσίμου και η στοίβα γραφίτη μετριαστή. Το ψυκτικό υγρό, που είναι το νερό, που κινείται στα τεχνολογικά κανάλια από κάτω προς τα πάνω υπό πίεση περίπου 7 MPa, ψύχει τον πυρήνα του αντιδραστήρα. Ως αποτέλεσμα, το ψυκτικό θερμαίνεται σε θερμοκρασία 285°C στην έξοδο του αντιδραστήρα.
Περαιτέρω, το μίγμα ατμού-νερού μεταφέρεται μέσω αγωγών στον διαχωριστή, ο οποίος χρησιμεύει για τον διαχωρισμό του νερού από τον ατμό. Ο διαχωρισμένος κορεσμένος ατμός υπό πίεση εισέρχεται στα πτερύγια του στροβίλου που είναι συνδεδεμένος στη γεννήτρια ηλεκτρικό ρεύμα.
Ο ατμός εξαγωγής αποστέλλεται στον συμπυκνωτή διεργασίας, συμπυκνώνεται, αναμιγνύεται με το ψυκτικό που προέρχεται από τον διαχωριστή και, υπό την πίεση που δημιουργείται από την αντλία κυκλοφορίας, εισέρχεται ξανά στα κανάλια διεργασίας του πυρήνα του αντιδραστήρα.
Το πλεονέκτημα τέτοιων αντιδραστήρων είναι η δυνατότητα αντικατάστασης στοιχείων καυσίμου χωρίς διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα και η δυνατότητα παρακολούθησης καναλιού προς κανάλι της κατάστασης του αντιδραστήρα. Τα μειονεκτήματα των αντιδραστήρων RMBC περιλαμβάνουν τη χαμηλή σταθερότητα λειτουργίας σε χαμηλά επίπεδα ισχύος, την ανεπαρκή ταχύτητα του συστήματος ελέγχου προστασίας και τη χρήση ενός συστήματος μονού κυκλώματος, στο οποίο υπάρχει πραγματική πιθανότητα ραδιενεργού μόλυνσης της στροβιλογεννήτριας.
Μεταξύ των αντιδραστήρων που λειτουργούν με θερμικά νετρόνια, είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι σε πολλές χώρες του κόσμου αντιδραστήρες ενέργειας υπό πίεση νερού.
Οι αντιδραστήρες αυτού του τύπου αποτελούνται από τα ακόλουθα κύρια δομικά στοιχεία: ένα σώμα με καπάκι, το οποίο φιλοξενεί στοιχεία καυσίμου συναρμολογημένα σε κασέτες. χειριστήρια και προστασίες, μια θερμική ασπίδα που λειτουργεί ταυτόχρονα ως ανακλαστήρας νετρονίων και βιολογική προστασία (Εικ. 8).
Το σκάφος VVER είναι ένας κατακόρυφος κύλινδρος με παχύ τοίχωμα κατασκευασμένος από κράμα χάλυβα υψηλής αντοχής, ύψους 12–25 m και διαμέτρου 3–8 m (ανάλογα με την ισχύ του αντιδραστήρα). Από πάνω, το δοχείο του αντιδραστήρα είναι ερμητικά σφραγισμένο με ένα τεράστιο χαλύβδινο σφαιρικό κάλυμμα.
Ρύζι. 8. Σχηματικό διάγραμμα NPP VVER-1000:
1 – θερμική ασπίδα. 2 - πλαίσιο? 3 - καπάκι ; 4 - σωληνώσεις του πρωτεύοντος κυκλώματος.
5 - σωληνώσεις του δευτερεύοντος κυκλώματος. 6 - ατμοστρόβιλος 7 - γεννήτρια
8 - πυκνωτής διεργασίας. 9 , 11 – αντλίες κυκλοφορίας·
10 - γεννήτρια ατμού; 12 - ράβδοι καυσίμου
Το δοχείο του αντιδραστήρα είναι εγκατεστημένο σε ένα κέλυφος από σκυρόδεμα, το οποίο είναι ένα από τα εμπόδια προστασίας από την ακτινοβολία. Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με σειριακό αντιδραστήρα νερού υπό πίεση με ηλεκτρική ισχύ 440 MW (VVER-440) έχει ως εξής. Η απομάκρυνση θερμότητας από την ενεργή ζώνη ενός πυρηνικού αντιδραστήρα πραγματοποιείται σύμφωνα με ένα σχήμα δύο κυκλωμάτων. Το ψυκτικό υγρό (νερό) του πρωτεύοντος κυκλώματος, με θερμοκρασία 270°C, τροφοδοτείται στον πυρήνα του αντιδραστήρα μέσω ενός αγωγού σε υψηλή πίεση περίπου 12,5 MPa, που υποστηρίζεται από μια αντλία κυκλοφορίας. Περνώντας μέσα από τον πυρήνα, το ψυκτικό θερμαίνεται στους 300°C ( υψηλή πίεσηστο κύκλωμα δεν αφήνει το νερό να βράσει) και μετά μπαίνει στη γεννήτρια ατμού.
Στη γεννήτρια ατμού, το κύριο ψυκτικό υγρό εκπέμπει τη θερμότητά του στο λεγόμενο δευτερεύον νερό τροφοδοσίας, το οποίο βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση (περίπου 4,4 MPa). Επομένως, το νερό του δευτερεύοντος κυκλώματος βράζει και μετατρέπεται σε μη ραδιενεργό ατμό, ο οποίος τροφοδοτείται μέσω της γραμμής ατμού στον ατμοστρόβιλο που είναι συνδεδεμένος στη γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Ο ατμός εξαγωγής ψύχεται στον συμπυκνωτή διεργασίας και υπό τη δράση της αντλίας τροφοδοσίας, το συμπύκνωμα τροφοδοτείται και πάλι στη γεννήτρια ατμού. Η ψύκτρα διπλού κυκλώματος παρέχει ασφάλεια ακτινοβολίας NPP.
Οι προοπτικές για την ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας συνδέονται επί του παρόντος με την κατασκευή ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων. Επίσης, μαζί με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, οι αντιδραστήρες καθιστούν δυνατή την εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικού καυσίμου, εμπλέκοντας στον κύκλο του καυσίμου όχι μόνο U ή Pu, τα οποία είναι σχάσιμα από θερμικά νετρόνια, αλλά και U και Th (το περιεχόμενό του σε φλοιός της γηςπερίπου 4 φορές υψηλότερο από το φυσικό ουράνιο).
Ράβδοι καυσίμου με ιδιαίτερα εμπλουτισμένο καύσιμο τοποθετούνται στον πυρήνα του αντιδραστήρα ταχέων νετρονίων. Η ενεργός ζώνη περιβάλλεται από μια ζώνη αναπαραγωγής, που αποτελείται από ράβδους καυσίμου που περιέχουν πρώτες ύλες καυσίμου (απεμπλουτισμένο ουράνιο, θόριο). Τα νετρόνια που εκπέμπονται από την ενεργό ζώνη δεσμεύονται στη ζώνη αναπαραγωγής από τους πυρήνες της πρώτης ύλης καυσίμου, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται νέο πυρηνικό καύσιμο. Ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα των ταχέων αντιδραστήρων είναι η δυνατότητα οργάνωσης σε αυτούς εκτεταμένης αναπαραγωγής πυρηνικού καυσίμου, δηλαδή, ταυτόχρονα με την παραγωγή ενέργειας, είναι δυνατή η παραγωγή νέου αντί καμένου πυρηνικού καυσίμου. Οι γρήγοροι αντιδραστήρες δεν απαιτούν συντονιστή και το ψυκτικό δεν πρέπει να επιβραδύνει τα νετρόνια.
Δεν υπάρχει συντονιστής στον πυρήνα ενός αντιδραστήρα ταχέων νετρονίων· επομένως, ο όγκος του πυρήνα του αντιδραστήρα είναι πολλές φορές μικρότερος από ό,τι στο RBMK ή το VVER και είναι περίπου 2 m 3 . Ως πυρηνικό καύσιμο σε αντιδραστήρες χρησιμοποιείται τεχνητά λαμβανόμενο ουράνιο Pu ή υψηλού εμπλουτισμού (πάνω από 20%) ουράνιο.
Ο πυρήνας του αντιδραστήρα BN-600 περιέχει 370 συγκροτήματα καυσίμου, καθένα από τα οποία περιέχει 127 στοιχεία καυσίμου και 27 ράβδους ελέγχου και προστασίας έκτακτης ανάγκης.
Για την αφαίρεση της θερμικής ενέργειας στον πυρήνα του αντιδραστήρα BN-600, χρησιμοποιείται ένα τεχνολογικό σχήμα τριών βρόχων (Εικ. 9).
Στο πρώτο και το δεύτερο κύκλωμα, ως ψυκτικό χρησιμοποιείται υγρό νάτριο, το σημείο τήξης του οποίου είναι 98°C, έχει χαμηλή απορροφητική και μετριαστική ικανότητα νετρονίων.
Το υγρό νάτριο του πρωτεύοντος κυκλώματος στην έξοδο του αντιδραστήρα έχει θερμοκρασία 550°C και εισέρχεται στον ενδιάμεσο εναλλάκτη θερμότητας. Εκεί εκπέμπει θερμότητα στο δευτερεύον ψυκτικό, το οποίο χρησιμοποιείται και ως υγρό νάτριο. Το ψυκτικό του δεύτερου κυκλώματος εισέρχεται στη γεννήτρια ατμού, όπου το νερό μετατρέπεται σε ατμό, που είναι το ψυκτικό του τρίτου κυκλώματος κυκλοφορίας. Ο ατμός που παράγεται στην ατμογεννήτρια με πίεση 14 MPa εισέρχεται στον στρόβιλο της ηλεκτρικής γεννήτριας. Ο ατμός εξαγωγής μετά την ψύξη στον συμπυκνωτή διεργασίας αντλείται πίσω στη γεννήτρια ατμού. Έτσι, το σχέδιο απομάκρυνσης θερμότητας στους πυρηνικούς σταθμούς με τον αντιδραστήρα BN-600 αποτελείται από ένα ραδιενεργό και δύο μη ραδιενεργά κυκλώματα. Ο χρόνος λειτουργίας της γεννήτριας BN-600 μεταξύ ανεφοδιασμού καυσίμων είναι 150 ημέρες.
Ρύζι. 9. Σύστημα τεχνολογίας NPP με γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων:
1 – ράβδοι καυσίμου πυρήνα. 2 - στοιχεία καυσίμου της ζώνης αναπαραγωγής. 3 – δοχείο αντιδραστήρα·
4
– δοχείο αντιδραστήρα από σκυρόδεμα· 5
– ψυκτικό του πρωτεύοντος κυκλώματος.
6
- δευτερεύον ψυκτικό υγρό. 7
– ψυκτικό του τρίτου κυκλώματος.
8 - ατμοστρόβιλος 9 – γεννήτρια 10 – πυκνωτής διεργασίας.
11 - γεννήτρια ατμού; 12 – ενδιάμεσος εναλλάκτης θερμότητας.
13 - αντλία κυκλοφορίας
Κατά τη λειτουργία των πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, εκτός από τα προβλήματα που σχετίζονται με τη διάθεση υψηλά ραδιενεργών αποβλήτων από τον κύκλο πυρηνικών καυσίμων (NFC), προκύπτουν πρόσθετα προβλήματα που προκαλούνται από τη διάρκεια ζωής των πυρηνικών αντιδραστήρων (20-40 χρόνια). Μετά το τέλος αυτής της διάρκειας ζωής, οι αντιδραστήρες πρέπει να παροπλιστούν και το πυρηνικό καύσιμο και το ψυκτικό πρέπει να αφαιρεθούν από τον πυρήνα. Ο ίδιος ο αντιδραστήρας έχει ναφθαλιστεί ή αποσυναρμολογηθεί. Η εμπειρία από την αποσυναρμολόγηση χρησιμοποιημένων πυρηνικών αντιδραστήρων στον κόσμο είναι πολύ μικρή.
1. Γενικές πληροφορίες για το άτομο και τον ατομικό πυρήνα. Το φαινόμενο της ραδιενέργειας.
2. Ο βασικός νόμος της ραδιενεργής διάσπασης. Δραστηριότητα και μονάδες μέτρησής της.
3. Διάσπαση βαρέων πυρήνων και αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης.
4. Ποια είναι η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και τα χαρακτηριστικά τους;
5. Δώστε τα κύρια χαρακτηριστικά των αντιδραστήρων VVER-1000 και RBMK-1000. Ποια είναι η διαφορά τους;
6. Κύρια χαρακτηριστικά των αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων BN-600.
ΔΙΑΛΕΞΗ 4.ιονίζουσες ακτινοβολίες,
ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ Η ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥΣ