Mimea ya nguvu za nyuklia hutumiwa kwenye mitambo ya nyuklia, kwenye satelaiti za Dunia, na kwenye usafiri mkubwa wa baharini, kipengele kikuu ambacho ni reactor ya nyuklia.
Reactor ya nyuklia ni kifaa ambacho mmenyuko wa mnyororo unaodhibitiwa wa fission ya nuclei nzito hufanyika, ikifuatana na kutolewa kwa nishati. Kama ilivyoonyeshwa hapo awali, hali ya utekelezaji wa mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia unaojitegemea ni uwepo wa idadi ya kutosha ya nyutroni za sekondari zinazotokea wakati wa mgawanyiko wa kiini kizito ndani ya nuclei nyepesi (vipande) na kupata fursa ya kushiriki katika mchakato zaidi wa mgawanyiko wa viini nzito.
Sehemu kuu za aina yoyote ya reactor ya nyuklia ni:
1) msingi ambapo mafuta ya nyuklia iko, mmenyuko wa mlolongo wa fission ya nyuklia hutokea na nishati hutolewa;
2) kiakisi cha nyutroni, ambayo huzunguka msingi na husaidia kupunguza uvujaji wa nyutroni kutoka kwa msingi kwa kuwaonyesha nyuma kwenye ukanda. Vifaa vya kutafakari vinapaswa kuwa na uwezekano mdogo wa kukamata neutroni, lakini uwezekano mkubwa wa kutawanyika kwao kwa elastic;
3) baridi- kutumika kuondoa joto kutoka kwa msingi;
4) mfumo wa udhibiti wa mmenyuko na udhibiti;
5) mfumo wa ulinzi wa kibaolojia(ulinzi wa mionzi), kulinda wafanyikazi wa huduma kutokana na athari mbaya za mionzi ya ionizing.
Katika vinu vya nyuklia kwa kutumia nyutroni polepole, eneo linalofanya kazi, pamoja na mafuta ya nyuklia, lina msimamizi wa neutroni za haraka zinazozalishwa wakati wa mmenyuko wa mlolongo wa mgawanyiko wa nuclei za atomiki. Wasimamizi (graphite) hutumiwa, pamoja na vinywaji vya kikaboni na maji, ambayo inaweza pia kutumika kama baridi. Ikiwa hakuna msimamizi katika msingi, basi wingi wa fission ya nyuklia hutokea chini ya ushawishi wa neutroni za haraka na nishati kubwa kuliko 10 keV. Kiyeyeyusha kisicho na msimamizi - kiyeyeyusha chenye kasi ya neutroni - kinaweza tu kuwa muhimu wakati wa kutumia urani asilia iliyorutubishwa na isotopu ya U hadi mkusanyiko wa takriban 10%.
Kiini cha kinu cha polepole cha nyutroni kina vipengele vya mafuta vilivyo na mchanganyiko wa U na U na msimamizi ambapo neutroni hupunguzwa kasi hadi nishati ya takriban 1 eV. Vipengele vya mafuta (vitu vya mafuta) Ni vitalu vya nyenzo zenye nyutu zilizofungwa kwenye ganda la hermetic ambalo hufyonza neutroni kwa nguvu. Kwa sababu ya nishati ya mtengano, vipengele vya mafuta huwaka na kuonyesha nishati kwenye kipozezi kinachozunguka kwenye chaneli.
Mahitaji ya juu ya kiufundi yanawekwa kwenye viboko vya mafuta: unyenyekevu wa kubuni; utulivu wa mitambo na nguvu katika mtiririko wa baridi, kuhakikisha uhifadhi wa vipimo na tightness; ngozi ya chini ya neutroni na nyenzo za kimuundo za TVEL na kiwango cha chini cha nyenzo za kimuundo katika msingi; kutokuwepo kwa mwingiliano wa mafuta ya nyuklia na bidhaa za mtengano na ufunikaji wa vijiti vya mafuta, baridi na msimamizi kwa joto la kufanya kazi. Sura ya kijiometri ya kipengele cha mafuta lazima ihakikishe uwiano unaohitajika wa eneo la uso kwa kiasi na kiwango cha juu cha kuondolewa kwa joto na baridi kutoka kwa uso mzima wa kipengele cha mafuta, na pia kuhakikisha kuchomwa moto kwa mafuta ya nyuklia na kiwango cha juu. uhifadhi wa bidhaa za fission. Fimbo za mafuta lazima ziwe na upinzani wa mionzi, unyenyekevu na ufanisi wa kuzaliwa upya kwa mafuta ya nyuklia na gharama ya chini, na ziwe na vipimo na muundo unaohitajika, kuhakikisha uwezo wa kufanya shughuli za upakiaji upya haraka.
Kwa sababu za usalama, mshikamano wa kuaminika wa vifuniko vya vijiti vya mafuta lazima udumishwe katika kipindi chote cha operesheni ya msingi.
(miaka 3-5) na uhifadhi unaofuata wa vijiti vya mafuta vilivyotumika hadi kutumwa kwa kuchakata tena (miaka 1-3). Wakati wa kuunda msingi, ni muhimu kuanzisha na kuhalalisha mapema mipaka inaruhusiwa ya uharibifu wa fimbo za mafuta (wingi na kiwango cha uharibifu). Msingi umeundwa kwa njia ambayo wakati wa operesheni katika maisha yake yote ya huduma ya kubuni mipaka iliyowekwa kwa uharibifu wa fimbo za mafuta hazizidi. Utimilifu wa mahitaji haya unahakikishwa na muundo wa msingi, ubora wa baridi, na sifa na uaminifu wa mfumo wa kuondoa joto. Wakati wa operesheni, uimara wa makombora ya vijiti vya mafuta ya kibinafsi inaweza kuharibiwa. Kuna aina mbili za ukiukwaji huo: kuundwa kwa microcracks kwa njia ambayo bidhaa za mgawanyiko wa gesi hutoka kwenye kipengele cha mafuta hadi kwenye baridi (kasoro ya aina ya wiani wa gesi); tukio la kasoro ambayo mawasiliano ya moja kwa moja ya mafuta na baridi inawezekana.
Mmenyuko wa mnyororo unadhibitiwa na vijiti maalum vya kudhibiti vilivyotengenezwa kwa nyenzo ambazo huchukua neutroni kwa nguvu (kwa mfano, boroni, cadmium). Kwa kubadilisha idadi na kina cha kuzamishwa kwa vijiti vya kudhibiti, inawezekana kudhibiti fluxes ya neutroni, na, kwa hiyo, ukubwa wa mmenyuko wa mnyororo na uzalishaji wa nishati.
Hivi sasa, idadi kubwa ya aina tofauti za athari za nyuklia zimetengenezwa, ambazo hutofautiana katika aina ya mafuta ya nyuklia (uranium, plutonium), katika muundo wa kemikali ya mafuta ya nyuklia (uranium, dioksidi ya urani), katika aina ya baridi (maji). , maji nzito, vimumunyisho vya kikaboni na wengine), kwa aina ya msimamizi (graphite, maji, beryllium).
Reactor ambamo mpasuko wa nyuklia unafanywa hasa na neutroni zenye nguvu kubwa kuliko 0.5 MeV huitwa. mitambo ya neutroni ya haraka. Reactor ambazo nyingi za mpasuko hufanyika kama matokeo ya kunyonya kwa neutroni za kati na viini vya isotopu za fissile huitwa. vinyunyuzi vya kati (resonant) vya neutroni.
Ya kawaida katika mitambo ya nyuklia ni vinu vya nguvu vya juu(RBMK) na (VVER).
Msingi wa RBMK, wenye kipenyo cha 11.8 m na urefu wa m 7, ni stack ya cylindrical yenye vitalu vya grafiti - msimamizi. Kila block ina shimo kwa chaneli ya kiteknolojia (1700 kwa jumla).
Kila chaneli ina vijiti viwili vya mafuta kwa namna ya zilizopo mashimo na kipenyo cha 13.5 mm na urefu wa 3.5 m, kuta ambazo ni 0.9 mm nene na zilizofanywa kwa aloi ya zirconium. Vijiti vya mafuta vinajazwa na vidonge vya dioksidi ya uranium iliyoboreshwa hadi 2% U. Jumla ya mafuta katika msingi wa RBMK ni tani 190. Wakati wa operesheni ya reactor, fimbo za mafuta hupozwa na mtiririko wa baridi (maji) kupitia njia za teknolojia.
Mchoro wa mchoro wa reactor ya RBMK-1000 unaonyeshwa kwenye Mtini. 7.
Mchele. 7. Reactor ya mafuta ya neutroni ya nguvu ya juu
1 - turbogenerator; 2 - viboko vya kudhibiti; 3 - ngoma za kujitenga;
4 - capacitors; 5 - msimamizi wa grafiti; 6 - eneo la kazi;
7 - vijiti vya mafuta; 8 - shell ya kinga iliyotengenezwa kwa saruji
Ili kudhibiti mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia unaotokea kwenye vijiti vya mafuta, vijiti vya kudhibiti na kudhibiti vilivyotengenezwa na cadmium au boroni, ambayo inachukua neutroni vizuri, huingizwa kwenye njia maalum. Vijiti vinatembea kwa uhuru kupitia njia maalum. Kina cha kuzamishwa kwa fimbo ya udhibiti huamua kiwango cha kunyonya kwa neutroni. Kando ya pembeni ya msingi kuna safu ya kiakisi cha neutron - vitalu sawa vya grafiti, lakini bila njia.
Mkusanyiko wa grafiti umezungukwa na tanki ya maji ya silinda ya chuma, ambayo imeundwa kwa ulinzi wa kibiolojia dhidi ya neutroni na mionzi ya gamma. Kwa kuongeza, reactor iko kwenye shimoni la saruji kupima 21.6'21.6'25.5 m.
Kwa hivyo, vitu kuu vya RBMK ni vitu vya mafuta vilivyojazwa na mafuta ya nyuklia, kibadala cha neutroni na kiakisi, vijiti vya kupoeza na kudhibiti ambavyo hutumika kudhibiti ukuzaji wa mmenyuko wa nyuklia.
Kanuni ya uendeshaji wa mtambo wa nyuklia wenye kinu cha aina ya RBMK ni kama ifuatavyo. Neutroni za haraka za sekondari zinazoonekana kama matokeo ya mgawanyiko wa U nuclei huacha vijiti vya mafuta na kuingia kwenye msimamizi wa grafiti. Kama matokeo ya kupita kwa msimamizi, wanapoteza sehemu kubwa ya nishati yao na, tayari wakiwa joto, wanaanguka tena kwenye moja ya vijiti vya mafuta vya jirani na kushiriki katika mchakato zaidi wa mgawanyiko wa viini vya U. Nishati ya nyuklia mmenyuko wa mnyororo hutolewa kwa namna ya nishati ya kinetic ya "vipande" (80%), neutroni za pili, alpha, chembe za beta na gamma quanta, na kusababisha joto la vijiti vya mafuta na bitana ya grafiti ya msimamizi. Kipozeo, ambacho ni maji, husogea katika njia za kiteknolojia kutoka chini kwenda juu chini ya shinikizo la takriban MPa 7, na kupoza msingi wa reactor. Matokeo yake, baridi huwashwa hadi joto la 285 ° C kwenye sehemu ya reactor.
Kisha, mchanganyiko wa maji ya mvuke husafirishwa kupitia mabomba hadi kwa kitenganishi, ambacho hutumika kutenganisha maji kutoka kwa mvuke. Mvuke uliojaa uliotenganishwa chini ya shinikizo huanguka kwenye vilele vya turbine iliyounganishwa na jenereta ya sasa ya umeme.
Mvuke wa kutolea nje hutumwa kwa condenser ya mchakato, iliyofupishwa, iliyochanganywa na baridi inayotoka kwa kitenganishi, na chini ya shinikizo iliyoundwa na pampu ya mzunguko, inaingia tena kwenye njia za mchakato wa msingi wa reactor.
Faida za reactors vile ni uwezekano wa kuchukua nafasi ya viboko vya mafuta bila kuzima reactor na uwezekano wa ufuatiliaji wa channel-by-channel wa hali ya reactor. Hasara za reactors za RMBK ni pamoja na utulivu wa chini wa uendeshaji katika viwango vya chini vya nguvu, kasi ya kutosha ya mfumo wa udhibiti wa ulinzi na matumizi ya mzunguko wa mzunguko mmoja, ambapo kuna uwezekano halisi wa uchafuzi wa mionzi ya turbogenerator.
Miongoni mwa mitambo inayofanya kazi kwenye nyutroni za joto, inayotumika sana katika nchi nyingi za ulimwengu ni mitambo ya nguvu ya maji yenye shinikizo.
Reactors za aina hii zinajumuisha vipengele vikuu vya kimuundo vifuatavyo: nyumba yenye kifuniko, ambayo huweka fimbo za mafuta zilizokusanyika katika kanda; udhibiti na ulinzi, ngao ya joto, ambayo wakati huo huo hufanya kama kiakisi cha neutroni na ulinzi wa kibiolojia (Mchoro 8).
Chombo cha VVER ni silinda ya wima yenye nene iliyofanywa kwa chuma cha aloi yenye nguvu ya juu na urefu wa 12-25 m na kipenyo cha 3-8 m (kulingana na nguvu ya reactor). Chombo cha reactor kimefungwa kwa hermetically kutoka juu na kifuniko kikubwa cha chuma cha spherical.
Mchele. 8. Mchoro wa mpangilio wa VVER-1000 NPP:
1 - ngao ya joto; 2 - sura; 3 - kifuniko ; 4 - mabomba ya mzunguko wa msingi;
5 - mabomba ya mzunguko wa sekondari; 6 - turbine ya mvuke; 7 - jenereta;
8 - mchakato wa capacitor; 9 , 11 - pampu za mzunguko;
10 - jenereta ya mvuke; 12 - vijiti vya mafuta
Chombo cha reactor kimewekwa kwenye shell ya saruji, ambayo ni mojawapo ya vikwazo vya ulinzi wa mionzi. Kanuni ya uendeshaji wa kiwanda cha nguvu za nyuklia kilicho na mtambo wa maji ulioshinikizwa wa serial na nguvu ya umeme ya MW 440 (VVER-440) ni kama ifuatavyo. Uondoaji wa joto kutoka kwa msingi wa reactor ya nyuklia unafanywa kwa kutumia mpango wa mzunguko wa mbili. Kipozaji (maji) cha mzunguko wa msingi, chenye joto la 270 ° C, hutolewa kupitia bomba hadi kwenye msingi wa reactor chini ya shinikizo la juu la takriban 12.5 MPa, linalotunzwa na pampu ya mzunguko. Kupitia msingi, baridi huwaka hadi 300 ° C (shinikizo la juu katika mzunguko hairuhusu maji kuchemsha) na kisha huingia kwenye jenereta ya mvuke.
Katika jenereta ya mvuke, baridi ya msingi huhamisha joto lake kwa kinachojulikana maji ya kulisha sekondari, ambayo ni chini ya shinikizo la chini (takriban 4.4 MPa). Kwa hiyo, maji katika mzunguko wa pili huchemka na kugeuka kuwa mvuke isiyo na mionzi, ambayo hutolewa kwa njia ya mstari wa mvuke kwenye turbine ya mvuke iliyounganishwa na jenereta ya sasa ya umeme. Mvuke wa kutolea nje umepozwa katika condenser ya mchakato, na chini ya hatua ya pampu ya kulisha, condensate tena huingia kwenye jenereta ya mvuke. Mpango wa uondoaji wa joto wa mzunguko wa mara mbili huhakikisha usalama wa mionzi ya mtambo wa nyuklia.
Matarajio ya maendeleo ya nishati ya nyuklia kwa sasa yanahusishwa na ujenzi wa vinu vya haraka vya nyutroni. Pia, mitambo, pamoja na uzalishaji wa umeme, huruhusu upanuzi wa uzazi wa mafuta ya nyuklia, unaojumuisha mzunguko wa mafuta sio tu U au Pu fissile na neutroni za joto, lakini pia U na Th (yaliyomo kwenye ukoko wa dunia ni takriban 4. mara ya juu kuliko urani asilia).
Katika msingi wa reactor ya haraka ya neutroni, vijiti vya mafuta na mafuta yenye utajiri mwingi huwekwa. Msingi umezungukwa na eneo la kuzaliana, linalojumuisha vijiti vya mafuta vyenye malighafi ya mafuta (uranium iliyopungua, thorium). Neutroni zinazotoka kwenye msingi hukamatwa katika eneo la kuzaliana na viini vya malighafi ya mafuta, na kusababisha kuundwa kwa mafuta mapya ya nyuklia. Faida maalum ya mitambo ya haraka ni uwezo wa kuandaa uzazi wa kupanua wa mafuta ya nyuklia ndani yao, yaani, wakati huo huo na kizazi cha nishati, mafuta mapya ya nyuklia yanaweza kuzalishwa badala ya mafuta ya nyuklia ya kuchomwa moto. Reactor za haraka hazihitaji msimamizi, na baridi haihitaji kupunguza kasi ya neutroni.
Hakuna msimamizi katika msingi wa kichezeo cha haraka cha nyutroni; kwa hivyo, kiasi cha msingi wa reactor ni mara nyingi ndogo kuliko katika RBMK au VVER, na ni takriban 2 m 3 . Pu iliyotengenezwa kiholela au iliyorutubishwa sana (zaidi ya 20%) ya urani hutumika kama nishati ya nyuklia katika vinu.
Msingi wa reactor ya BN-600 huweka makusanyiko ya mafuta 370, ambayo kila moja ina vijiti 127 vya mafuta na vijiti 27 vya udhibiti na mfumo wa ulinzi wa dharura.
Ili kuondoa nishati ya joto katika msingi wa reactor BN-600, mpango wa teknolojia ya mzunguko wa tatu hutumiwa (Mchoro 9).
Katika mizunguko ya kwanza na ya pili, sodiamu ya kioevu hutumiwa kama baridi, kiwango cha kuyeyuka ambacho ni 98 ° C; ina uwezo wa kunyonya na kudhibiti wa neutroni.
Sodiamu ya kioevu ya mzunguko wa msingi kwenye plagi ya reactor ina joto la 550 ° C na huingia kwenye mchanganyiko wa joto wa kati. Huko huhamisha joto kwenye kipozezi cha mzunguko wa pili, ambacho pia hutumika kama sodiamu ya kioevu. Kipozeo cha mzunguko wa pili huingia kwenye jenereta ya mvuke, ambapo maji, ambayo ni baridi ya mzunguko wa tatu wa mzunguko, hubadilishwa kuwa mvuke. Mvuke unaozalishwa katika jenereta ya mvuke kwa shinikizo la MPa 14 huingia kwenye turbine ya jenereta ya umeme. Baada ya baridi katika condenser ya mchakato, mvuke ya kutolea nje inarudishwa kwa jenereta ya mvuke na pampu. Kwa hivyo, mpango wa kuondoa joto kwenye kiwanda cha nguvu za nyuklia na reactor ya BN-600 ina nyaya moja ya mionzi na mbili zisizo za mionzi. Wakati wa kufanya kazi wa jenereta ya BN-600 kati ya kuongeza mafuta ni siku 150.
Mchele. 9. Mchoro wa kiteknolojia wa kiwanda cha nguvu za nyuklia chenye kinu cha haraka cha neutroni:
1 - vijiti vya msingi vya mafuta; 2 - vijiti vya mafuta vya eneo la kuzaliana; 3 - chombo cha reactor;
4
- chombo cha reactor halisi; 5
- baridi ya msingi;
6
- baridi ya sekondari; 7
- baridi ya mzunguko wa tatu;
8 - turbine ya mvuke; 9 - jenereta; 10 - capacitor ya mchakato;
11 - jenereta ya mvuke; 12 - mchanganyiko wa joto wa kati;
13 - pampu ya mzunguko
Wakati wa uendeshaji wa mitambo ya nyuklia, pamoja na matatizo yanayohusiana na utupaji wa taka yenye mionzi kutoka kwa mzunguko wa mafuta ya nyuklia (NFC), matatizo ya ziada hutokea ambayo husababishwa na maisha ya huduma ya vinu vya nyuklia (miaka 20-40). Baada ya mwisho wa maisha haya ya huduma, vinu lazima vikomeshwe, na mafuta ya nyuklia na baridi lazima viondolewe kwenye msingi wao. Reactor yenyewe inapigwa nondo au kuvunjwa. Ulimwengu una uzoefu mdogo sana wa kubomoa vinu vya nyuklia vilivyotumika.
1. Taarifa za jumla kuhusu atomi na kiini cha atomiki. Uzushi wa radioactivity.
2. Sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi. Shughuli na vitengo vyake vya kipimo.
3. Mgawanyiko wa nuclei nzito na mmenyuko wa mnyororo wa fission.
4. Ni kanuni gani ya uendeshaji wa reactor ya nyuklia na sifa zao?
5. Toa sifa kuu za mitambo ya VVER-1000 na RBMK-1000. Tofauti yao ni nini?
6. Tabia kuu za mitambo ya neutroni ya haraka BN-600.
MUHADHARA WA 4. Mionzi ya ionizing,
TABIA NA MWINGILIANO WAO
Slaidi 11. Katika msingi wa reactor ya haraka ya neutroni, vijiti vya mafuta na mafuta yenye utajiri wa 235U huwekwa. Eneo la kazi limezungukwa na eneo la kuzaliana linalojumuisha
kutoka kwa vipengele vya mafuta vyenye malighafi ya mafuta (iliyopungua 228U au 232Th). Neutroni zinazotoka kwenye msingi hukamatwa katika eneo la kuzaliana na viini vya malighafi ya mafuta, na kusababisha kuundwa kwa mafuta mapya ya nyuklia. Faida ya mitambo ya haraka ni uwezekano wa kuandaa uzazi wa kupanua wa mafuta ya nyuklia ndani yao, i.e. wakati huo huo na uzalishaji wa nishati, toa mafuta mapya ya nyuklia badala ya mafuta ya nyuklia yaliyoteketezwa. Reactor za haraka hazihitaji msimamizi, na baridi haihitaji kupunguza kasi ya neutroni.
Kusudi kuu la kinu cha haraka cha nyutroni ni utengenezaji wa plutonium ya kiwango cha silaha (na actinidi zingine za fissile), vifaa vya silaha za atomiki. Lakini mitambo kama hiyo pia hutumiwa katika sekta ya nishati, haswa, ili kuhakikisha upanuzi wa kuzaliana kwa plutonium 239Pu kutoka 238U ili kuchoma yote au sehemu kubwa ya urani asilia, pamoja na akiba iliyopo ya urani iliyomalizika. Pamoja na maendeleo ya sekta ya nishati ya mitambo ya haraka ya nyutroni, tatizo la kujitosheleza kwa nishati ya nyuklia na mafuta linaweza kutatuliwa.
Slide 12. Reactor ya Breeder, reactor ya nyuklia ambayo "kuchoma" kwa mafuta ya nyuklia kunafuatana na uzazi wa kupanua wa mafuta ya pili. Katika reactor ya ufugaji, neutroni iliyotolewa wakati wa mchakato wa mgawanyiko wa mafuta ya nyuklia (kwa mfano, 235U) huingiliana na nuclei ya malighafi iliyowekwa kwenye reactor (kwa mfano, 238U), na kusababisha kuundwa kwa mafuta ya pili ya nyuklia (239Pu) . Katika reactor ya aina ya wafugaji, mafuta yanayozalishwa tena na kuchomwa ni isotopu za kipengele sawa cha kemikali (kwa mfano, 235U imechomwa, 233U inatolewa tena), katika reactor ya aina ya kibadilishaji cha kibadilishaji - isotopu ya vipengele tofauti vya kemikali (kwa mfano; 235U imechomwa, 239Pu inatolewa tena).
Katika vinu vya haraka, mafuta ya nyuklia ni mchanganyiko ulioboreshwa ulio na angalau 15% ya isotopu ya 235U. Reactor kama hiyo hutoa uzazi uliopanuliwa wa mafuta ya nyuklia (ndani yake, pamoja na kutoweka kwa atomi zinazoweza kutengana, baadhi yao huzaliwa upya (kwa mfano, malezi ya 239Pu)). Nambari kuu ya fissions husababishwa na neutroni za haraka, na kila tendo la mgawanyiko hufuatana na kuonekana kwa idadi kubwa ya neutroni (ikilinganishwa na fission na neutroni za joto), ambayo, inapokamatwa na nuclei 238U, inazibadilisha (kupitia β mbili mfululizo. -oza) ndani ya viini 239Pu, i.e. mafuta mapya ya nyuklia. Hii ina maana kwamba, kwa mfano, kwa nuclei 100 za mafuta ya fissioned (235U) katika reactors za neutroni za haraka, nuclei 150 239Pu zenye uwezo wa fission huundwa. (Sababu ya uzazi wa reactors vile hufikia 1.5, yaani, kwa kilo 1 ya 235U hadi kilo 1.5 ya Pu hupatikana). 239Pu inaweza kutumika katika kinu kama kipengele cha kupasuka.
Kwa mtazamo wa maendeleo ya nishati duniani, faida ya kinu cha kasi cha nyutroni (BN) ni kwamba inaruhusu matumizi kama mafuta ya isotopu ya vitu vizito ambavyo havina uwezo wa kutengana katika vinu vya joto. Mzunguko wa mafuta unaweza kuhusisha akiba ya 238U na 232Th, ambayo kwa asili ni kubwa zaidi kuliko 235U, mafuta kuu ya viboreshaji vya joto vya neutroni. Kinachojulikana kama "uranium taka" iliyobaki baada ya kurutubisha mafuta ya nyuklia na 235U pia inaweza kutumika. Kumbuka kwamba plutonium pia huzalishwa katika mitambo ya kawaida, lakini kwa kiasi kidogo zaidi.
Slide 13. BN - reactor ya nyuklia, kwa kutumia neutroni za haraka. Chombo cha ufugaji wa chombo. Kipozezi cha mizunguko ya msingi na ya upili kawaida ni sodiamu. Kipozaji cha mzunguko wa tatu ni maji na mvuke. Reactor za haraka hazina msimamizi.
Faida za mitambo ya haraka ni pamoja na kiwango cha juu cha kuchoma mafuta (yaani, muda mrefu wa kampeni), na hasara ni gharama kubwa kwa sababu ya kutowezekana kwa kutumia baridi rahisi - maji, ugumu wa muundo, gharama kubwa za mtaji na gharama kubwa ya mafuta yenye utajiri mkubwa.
Uranium iliyorutubishwa sana ni urani yenye maudhui ya molekuli ya isotopu ya uranium-235 sawa na au zaidi ya 20%. Ili kuhakikisha mkusanyiko mkubwa wa mafuta ya nyuklia, ni muhimu kufikia kiwango cha juu cha kutolewa kwa joto kwa kitengo cha kiasi cha msingi. Utoaji wa joto wa kinu cha kasi cha nyutroni ni mara kumi hadi kumi na tano zaidi ya utolewaji wa joto wa viyeyusho vya polepole vya nyutroni. Uondoaji wa joto katika kinu kama hicho unaweza tu kufanywa kwa kutumia vipozezi vya chuma kioevu, kama vile vipozezi vya sodiamu, potasiamu au gesi inayotumia nishati nyingi ambavyo vina sifa bora zaidi za hali ya hewa na joto, kama vile heliamu na gesi zinazotenganisha. Kwa kawaida metali za kioevu hutumiwa, kama vile sodiamu iliyoyeyuka (kiwango cha kuyeyuka cha sodiamu 98 °C). Ubaya wa sodiamu ni pamoja na athari yake ya juu ya kemikali kuelekea hatari ya maji, hewa na moto. Joto la baridi kwenye kiingilio cha Reactor ni 370 ° C, na kwenye duka - 550, ambayo ni ya juu mara kumi kuliko viashiria sawa, sema, kwa VVER - kuna joto la maji kwenye ghuba ni digrii 270, na saa. duka - 293.
Neutroni?
Neutroni ni chembe ambazo ni sehemu ya viini vingi vya atomiki, pamoja na protoni. Wakati wa mmenyuko wa mtengano wa nyuklia, kiini cha urani hugawanyika katika sehemu mbili na kwa kuongeza hutoa neutroni kadhaa. Wanaweza kuingia kwenye atomi zingine na kusababisha athari moja au zaidi ya mgawanyiko. Iwapo kila nyutroni iliyotolewa wakati wa kuoza kwa viini vya urani itagonga atomi za jirani, mlolongo wa athari unaofanana na theluji utaanza na kutolewa kwa nishati zaidi na zaidi. Ikiwa hakuna vizuizi, mlipuko wa nyuklia utatokea.
Lakini katika kinu cha nyuklia, baadhi ya nyutroni hutoka au kufyonzwa na vifyonzaji maalum. Kwa hiyo, idadi ya athari za fission inabakia sawa wakati wote, hasa ni nini kinachohitajika kupata nishati. Nishati kutoka kwa mmenyuko wa kuoza kwa mionzi hutoa joto, ambalo hutumika kutoa mvuke kuendesha turbine ya mtambo wa nguvu.
Neutroni zinazoweka athari ya nyuklia mara kwa mara zinaweza kuwa na nishati tofauti. Kulingana na nishati, huitwa mafuta au haraka (pia kuna baridi, lakini hizo hazifai kwa mimea ya nyuklia). Reactors nyingi ulimwenguni zinategemea matumizi ya neutroni za joto, lakini Beloyarsk NPP ina Reactor ya haraka. Kwa nini?
Je, ni faida gani?
Katika kinu cha haraka cha nyutroni, sehemu ya nishati ya nyutroni huenda, kama katika vinu vya kawaida, ili kudumisha mmenyuko wa mgawanyiko wa sehemu kuu ya mafuta ya nyuklia, uranium-235. Na sehemu ya nishati inachukuliwa na shell iliyofanywa kwa uranium-238 au thorium-232. Vipengele hivi havina maana kwa mitambo ya kawaida. Neutroni zinapogonga viini vyake, hugeuka kuwa isotopu zinazofaa kutumika katika nishati ya nyuklia kama mafuta: plutonium-239 au uranium-233.
Uranium iliyoimarishwa. Tofauti na mafuta ya nyuklia yaliyotumika, urani haina karibu kuwa na mionzi kiasi kwamba inahitaji kushughulikiwa na roboti pekee. Unaweza hata kushikilia kwa muda mfupi kwa mikono yako umevaa glavu nene. Picha: Idara ya Nishati ya Marekani
Kwa hivyo, mitambo ya nyutroni ya haraka inaweza kutumika sio tu kusambaza nishati kwa miji na viwanda, lakini pia kuzalisha mafuta mapya ya nyuklia kutoka kwa malighafi ya bei nafuu. Ukweli ufuatao unazungumza juu ya faida za kiuchumi: kilo ya urani iliyoyeyushwa kutoka kwa madini inagharimu karibu dola hamsini, ina gramu mbili tu za uranium-235, na iliyobaki ni uranium-238.
Walakini, vinu vya haraka vya nyutroni kwa kweli hazitumiki ulimwenguni. BN-600 inaweza kuchukuliwa kuwa ya kipekee. Si Monju za Kijapani, wala Phoenix ya Ufaransa, au vinu kadhaa vya majaribio nchini Marekani na Uingereza vinavyofanya kazi kwa sasa: vinu vya joto viligeuka kuwa rahisi kuunda na kufanya kazi. Kuna idadi ya vikwazo kwenye njia ya vinu ambavyo vinaweza kuchanganya uzalishaji wa nishati na uzalishaji wa mafuta ya nyuklia. Na kwa kuzingatia uendeshaji wake wa mafanikio kwa miaka 35, wabunifu wa BN-600 waliweza kupitisha angalau baadhi ya vikwazo.
Shida ni nini?
Katika sodiamu. Kinu chochote cha nyuklia lazima kiwe na vijenzi na vipengele kadhaa: mikusanyiko ya mafuta yenye mafuta ya nyuklia, vipengele vya kudhibiti athari ya nyuklia, na kipozezi ambacho hufyonza joto linalozalishwa kwenye kifaa. Muundo wa vipengele hivi, muundo wa mafuta na baridi inaweza kutofautiana, lakini bila yao reactor haiwezekani kwa ufafanuzi.
Katika kinu cha haraka cha nyutroni, inahitajika kutumia nyenzo kama kipozezi ambacho hakihifadhi neutroni, vinginevyo zitageuka kutoka kwa haraka hadi polepole, za joto. Mwanzoni mwa nguvu ya nyuklia, wabuni walijaribu kutumia zebaki, lakini iliyeyusha mabomba ndani ya reactor na kuanza kuvuja nje. Chuma chenye sumu kali, ambacho pia kilikuwa chenye mionzi chini ya ushawishi wa mionzi, kilisababisha shida nyingi hivi kwamba mradi wa reactor ya zebaki uliachwa haraka.
Vipande vya sodiamu kawaida huhifadhiwa chini ya safu ya mafuta ya taa. Ingawa kioevu hiki kinaweza kuwaka, hakijibu pamoja na sodiamu na haitoi mvuke wa maji kutoka kwa hewa kwenda kwake. Picha: Superplus / Wikipedia
BN-600 hutumia sodiamu ya kioevu. Kwa mtazamo wa kwanza, sodiamu ni bora kidogo kuliko zebaki: inafanya kazi sana katika kemikali, humenyuka kwa ukali ikiwa na maji (kwa maneno mengine, hulipuka ikiwa inatupwa ndani ya maji) na humenyuka hata na vitu vilivyomo kwenye simiti. Hata hivyo, haiingilii na neutroni, na kwa kiwango sahihi cha kazi ya ujenzi na matengenezo ya baadaye, hatari ya kuvuja sio kubwa sana. Kwa kuongeza, sodiamu, tofauti na mvuke wa maji, inaweza kusukuma kwa shinikizo la kawaida. Ndege ya mvuke kutoka kwa mstari wa mvuke iliyopasuka chini ya shinikizo la mamia ya anga hukata chuma, kwa hiyo kwa maana hii sodiamu ni salama zaidi. Kuhusu shughuli za kemikali, inaweza pia kutumika kwa manufaa. Katika tukio la ajali, sodiamu humenyuka si tu kwa saruji, bali pia na iodini ya mionzi. Iodidi ya sodiamu haiondoki tena kwenye jengo la kinu cha nyuklia, wakati iodini ya gesi ilichangia karibu nusu ya uzalishaji wakati wa ajali kwenye kinu cha nyuklia huko Fukushima.
Wahandisi wa Soviet ambao walitengeneza vinu vya haraka vya nyutroni kwanza walijenga majaribio ya BR-2 (ambayo hayakufanikiwa, zebaki), na kisha majaribio ya BR-5 na BOR-60 na sodiamu badala ya zebaki. Takwimu zilizopatikana kutoka kwao zilifanya iwezekane kuunda kinu cha kwanza cha "haraka" cha "haraka" BN-350, ambacho kilitumika katika kiwanda cha kipekee cha kemikali ya nyuklia na nishati - kiwanda cha nguvu ya nyuklia pamoja na mtambo wa kusafisha maji ya bahari. Katika Beloyarsk NPP, kinu cha pili cha aina ya BN - "haraka, sodiamu" - kilijengwa.
Licha ya uzoefu uliokusanywa wakati BN-600 ilizinduliwa, miaka ya kwanza iliharibiwa na mfululizo wa uvujaji wa sodiamu ya kioevu. Hakuna mojawapo ya matukio haya yaliyoleta tishio la mionzi kwa idadi ya watu au kusababisha udhihirisho mkubwa wa wafanyakazi wa mimea, na tangu mapema miaka ya 1990, uvujaji wa sodiamu umekoma kabisa. Ili kuweka hili katika muktadha wa kimataifa, Monju ya Japani ilikumbwa na uvujaji mkubwa wa sodiamu ya maji mwaka 1995, ambayo ilisababisha kuzima moto na kuzimwa kwa mtambo huo kwa miaka 15. Ni wabunifu wa Soviet pekee waliofaulu kutafsiri wazo la reactor ya haraka ya nyutroni kuwa kifaa cha viwandani badala ya majaribio, ambao uzoefu wao uliwaruhusu wanasayansi wa nyuklia wa Urusi kukuza na kujenga kinu cha kizazi kijacho - BN-800.
BN-800 tayari imejengwa. Mnamo Juni 27, 2014, kinu kilianza kufanya kazi kwa nguvu ya chini kabisa, na kuanza kwa umeme kunatarajiwa mnamo 2015. Kwa kuwa kuanzisha kinu cha nyuklia ni mchakato mgumu sana, wataalam hutenganisha mwanzo wa kimwili (mwanzo wa mmenyuko wa kujitegemea wa mnyororo) na kuanza kwa nishati, wakati ambapo kitengo cha nguvu huanza kusambaza megawati za kwanza za umeme. mtandao.
Beloyarsk NPP, jopo la kudhibiti. Picha kutoka kwa tovuti rasmi: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Katika BN-800, wabunifu walitekeleza idadi ya maboresho muhimu, ikiwa ni pamoja na, kwa mfano, mfumo wa baridi wa hewa ya dharura kwa reactor. Watengenezaji wanasema faida yake ni uhuru kutoka kwa vyanzo vya nishati. Ikiwa, kama huko Fukushima, umeme hutoweka kwenye mmea wa nguvu za nyuklia, basi mtiririko wa kiboreshaji cha baridi bado hautatoweka - mzunguko utadumishwa kwa kawaida, kwa sababu ya upitishaji, kuongezeka kwa hewa moto. Na ikiwa msingi unayeyuka ghafla, kuyeyuka kwa mionzi haitatoka nje, lakini kwenye mtego maalum. Hatimaye, ulinzi dhidi ya overheating ni ugavi mkubwa wa sodiamu, ambayo katika tukio la ajali inaweza kunyonya joto linalozalishwa hata kama mifumo yote ya baridi itashindwa kabisa.
Kufuatia BN-800, imepangwa kujenga reactor ya BN-1200 na nguvu kubwa zaidi. Waendelezaji wanatarajia kwamba ubongo wao utakuwa reactor ya serial na itatumika sio tu katika Beloyarsk NPP, lakini pia katika vituo vingine. Hata hivyo, hii ni mipango tu ya sasa; kwa mpito mkubwa hadi kwa vinyunyuzi vya neutroni, idadi ya matatizo bado yanahitaji kutatuliwa.
Beloyarsk NPP, tovuti ya ujenzi wa kitengo kipya cha nguvu. Picha kutoka kwa tovuti rasmi: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Shida ni nini?
Katika uchumi na ikolojia ya mafuta. Reactor za neutroni za haraka hufanya kazi kwenye mchanganyiko wa oksidi ya uranium iliyoboreshwa na oksidi ya plutonium - hii ndiyo inayoitwa mafuta ya mox. Kinadharia, inaweza kuwa nafuu zaidi kuliko mafuta ya kawaida kutokana na ukweli kwamba hutumia plutonium au uranium-233 kutoka kwa uranium-238 ya bei nafuu au thoriamu iliyomwagika katika mitambo mingine, lakini hadi sasa mafuta ya mox ni duni kwa bei ya mafuta ya kawaida. Inageuka kuwa aina ya duara mbaya ambayo sio rahisi sana kuvunja: inahitajika kurekebisha teknolojia ya ujenzi wa vinu, uchimbaji wa plutonium na urani kutoka kwa nyenzo zilizowekwa kwenye kinu, na kuhakikisha udhibiti wa mitambo. yasiyo ya kuenea kwa vifaa vya juu. Wanaikolojia wengine, kwa mfano wawakilishi wa kituo kisicho cha faida cha Bellona, wanaashiria kiwango kikubwa cha taka zinazozalishwa wakati wa usindikaji wa nyenzo zenye mionzi, kwa sababu pamoja na isotopu za thamani kwenye kinu cha haraka cha nyutroni, idadi kubwa ya radionuclides huundwa. haja ya kuzikwa mahali fulani.
Kwa maneno mengine, hata operesheni iliyofanikiwa ya kinururisho cha nyutroni chenyewe haitoi hakikisho la mapinduzi katika nishati ya nyuklia. Ni hali ya lazima, lakini haitoshi ya kuhama kutoka kwa hifadhi ndogo ya uranium-235 hadi uranium-238 inayopatikana zaidi na thorium-232. Iwapo wanateknolojia wanaohusika katika michakato ya kuchakata mafuta ya nyuklia na utupaji taka wa nyuklia wataweza kukabiliana na kazi zao ni mada ya hadithi tofauti.
Desemba 25, 2013
Hatua ya kuanza kimwili ya kinu ya nyutroni ya BN-800 ilianza leo katika Beloyarsk NPP, mwakilishi wa Rosenergoatom aliiambia RIA Novosti.
Wakati wa hatua hii, ambayo inaweza kudumu kwa wiki kadhaa, mtambo utajazwa na sodiamu ya kioevu na kisha mafuta ya nyuklia yatapakiwa ndani yake. Mwakilishi wa Rosenergoatom alielezea kuwa baada ya kukamilika kwa kuanza kwa kimwili, kitengo cha nguvu kitatambuliwa kama ufungaji wa nyuklia.
Kitengo cha nguvu nambari 4 chenye kinu cha BN-800 cha Kiwanda cha Nguvu za Nyuklia cha Beloyarsk (BNPP) kitafikia uwezo wake kamili mwishoni mwa 2014, Naibu Mkurugenzi Mkuu wa Kwanza wa shirika la serikali la Rosatom Alexander Lokshin aliwaambia waandishi wa habari Jumatano.
"Kitengo kinapaswa kufikia uwezo kamili mwishoni mwa mwaka," alisema, akifafanua kuwa tunazungumza juu ya mwisho wa 2014.
Kulingana na yeye, mzunguko huo kwa sasa unajazwa na sodiamu, na kukamilika kwa uzinduzi wa kimwili umepangwa katikati ya Aprili. Kulingana na yeye, kitengo cha nguvu ni 99.8% tayari kwa kuanza kwa mwili. Kama ilivyobainishwa na Mkurugenzi Mkuu wa Rosenergoatom Concern OJSC, Evgeny Romanov, kituo hicho kimepangwa kuanza nguvu mwishoni mwa msimu wa joto.
Kitengo cha nguvu kilicho na kinu cha BN-800 ni maendeleo ya kinu ya kipekee ya BN-600 katika Beloyarsk NPP, ambayo imekuwa katika operesheni ya majaribio kwa takriban miaka 30. Nchi chache sana duniani zina teknolojia ya kasi ya nyutroni, na Urusi ndiyo inayoongoza duniani katika eneo hili.
Hebu tujue zaidi kuhusu hilo...
Ukumbi wa Reactor (katikati) BN-600
Kilomita 40 kutoka Yekaterinburg, katikati ya misitu nzuri zaidi ya Ural, ni mji wa Zarechny. Mnamo 1964, kiwanda cha kwanza cha nguvu za nyuklia za Soviet, Beloyarskaya (yenye kinu cha AMB-100 chenye uwezo wa MW 100), kilizinduliwa hapa. Sasa Beloyarsk NPP inasalia kuwa pekee ulimwenguni ambapo kinu cha umeme cha haraka cha neutron hufanya kazi - BN-600
Hebu fikiria boiler ambayo huvukiza maji, na mvuke unaosababishwa huzunguka turbogenerator ambayo hutoa umeme. Hii ni takriban jinsi mtambo wa nyuklia unavyofanya kazi kwa jumla. Tu "boiler" ni nishati ya kuoza atomiki. Miundo ya mitambo ya nguvu inaweza kuwa tofauti, lakini kulingana na kanuni ya uendeshaji inaweza kugawanywa katika makundi mawili - mitambo ya nyutroni ya joto na reactors za neutroni za haraka.
Msingi wa reactor yoyote ni fission ya nuclei nzito chini ya ushawishi wa neutroni. Kweli, kuna tofauti kubwa. Katika vinu vya joto, uranium-235 hupasuliwa na nyutroni zenye joto kidogo, na kutoa vipande vya mpasuko na neutroni mpya zenye nguvu nyingi (zinazoitwa neutroni za haraka). Uwezekano wa neutroni ya joto kufyonzwa na kiini cha uranium-235 (pamoja na mgawanyiko unaofuata) ni mkubwa zaidi kuliko ile ya haraka, kwa hivyo neutroni zinahitaji kupunguzwa kasi. Hii inafanywa kwa msaada wa wasimamizi-vitu ambavyo, wakati wa kugongana na viini, neutroni hupoteza nishati.
Mafuta ya viyeyusho vya mafuta kwa kawaida ni uranium iliyorutubishwa kidogo, grafiti, maji mepesi au mazito hutumiwa kama msimamizi, na maji ya kawaida hutumiwa kama kipozezi. Mitambo mingi ya nishati ya nyuklia inayofanya kazi hujengwa kulingana na moja ya miradi hii.
Neutroni za haraka zinazozalishwa kama matokeo ya mgawanyiko wa nyuklia wa kulazimishwa zinaweza kutumika bila wastani wowote. Mpango huo ni kama ifuatavyo: neutroni za haraka zinazozalishwa wakati wa mgawanyiko wa uranium-235 au plutonium-239 nuclei humezwa na uranium-238 na kuunda (baada ya kuoza kwa beta mbili) plutonium-239. Zaidi ya hayo, kwa kila nuclei 100 za uranium-235 au plutonium-239 zilizovunjika, 120-140 za plutonium-239 zinaundwa. Kweli, kwa kuwa uwezekano wa mgawanyiko wa nyuklia na nyutroni za haraka ni chini ya zile za joto, mafuta lazima yameboreshwa kwa kiwango kikubwa zaidi kuliko kwa vinu vya joto. Kwa kuongezea, haiwezekani kuondoa joto kwa kutumia maji hapa (maji ni msimamizi), kwa hivyo lazima utumie viboreshaji vingine: kawaida hizi ni metali za kioevu na aloi, kutoka kwa chaguzi za kigeni sana kama zebaki (kipozezi kama hicho kilitumika kwenye kwanza Marekani majaribio Reactor Clementine) au risasi - bismuth aloi (kutumika katika baadhi ya mitambo ya manowari - hasa, Soviet Project 705 manowari) kwa kioevu sodiamu (chaguo ya kawaida katika reactors viwanda nguvu). Reactors zinazofanya kazi kulingana na mpango huu huitwa reactor za neutroni za haraka. Wazo la mmenyuko kama huo lilipendekezwa mnamo 1942 na Enrico Fermi. Kwa kweli, wanajeshi walionyesha shauku kubwa zaidi katika mpango huu: mitambo ya haraka wakati wa operesheni haitoi nishati tu, bali pia plutonium kwa silaha za nyuklia. Kwa sababu hii, mitambo ya neutron ya haraka pia huitwa wafugaji (kutoka kwa mfugaji wa Kiingereza - mtayarishaji).
Zigzags za historia
Inafurahisha kwamba historia ya nishati ya nyuklia ya ulimwengu ilianza kwa usahihi na kiboreshaji cha haraka cha nyutroni. Mnamo Desemba 20, 1951, kinu cha kwanza cha kasi cha umeme cha nyutroni duniani, EBR-I (Kitendo cha Majaribio cha Mfugaji), chenye nguvu ya umeme ya MW 0.2 pekee, kilizinduliwa huko Idaho. Baadaye, mnamo 1963, kiwanda cha nguvu ya nyuklia na kinu cha Fermi kilizinduliwa karibu na Detroit - tayari na uwezo wa takriban 100 MW (mnamo 1966 kulikuwa na ajali mbaya na kuyeyuka kwa sehemu ya msingi, lakini bila matokeo yoyote kwa mazingira au watu).
Katika USSR, tangu mwishoni mwa miaka ya 1940, Alexander Leypunsky amekuwa akifanya kazi juu ya mada hii, chini ya uongozi wake misingi ya nadharia ya mitambo ya haraka ilitengenezwa katika Taasisi ya Fizikia na Nishati ya Obninsk (FEI) na vituo kadhaa vya majaribio vilijengwa, ambavyo. ilifanya iwezekane kusoma fizikia ya mchakato huo. Kama matokeo ya utafiti huo, mnamo 1972, kiwanda cha kwanza cha nguvu ya nyuklia cha Soviet kilianza kufanya kazi katika jiji la Shevchenko (sasa Aktau, Kazakhstan) na kinu cha BN-350 (hapo awali kiliitwa BN-250). Haikuzalisha umeme tu, lakini pia ilitumia joto ili kufuta maji. Hivi karibuni kiwanda cha nguvu za nyuklia cha Ufaransa na kinu cha haraka cha Phenix (1973) na cha Uingereza kilicho na PFR (1974), zote zenye uwezo wa MW 250, zilizinduliwa.
Walakini, katika miaka ya 1970, vinu vya joto vya nyutroni vilianza kutawala tasnia ya nguvu ya nyuklia. Hii ilitokana na sababu mbalimbali. Kwa mfano, ukweli kwamba mitambo ya haraka inaweza kuzalisha plutonium, ambayo ina maana hii inaweza kusababisha ukiukwaji wa sheria juu ya kutoeneza kwa silaha za nyuklia. Walakini, uwezekano mkubwa sababu kuu ni kwamba mitambo ya mafuta ilikuwa rahisi na ya bei nafuu, muundo wao ulitengenezwa kwenye mitambo ya kijeshi ya manowari, na urani yenyewe ilikuwa nafuu sana. Vinu vya umeme vya kasi ya kiviwanda ambavyo vilianza kufanya kazi kote ulimwenguni baada ya 1980 vinaweza kuhesabiwa kwa vidole vya mkono mmoja: hizi ni Superphenix (Ufaransa, 1985-1997), Monju (Japan, 1994-1995) na BN-600 (Beloyarsk). NPP, 1980) , ambayo kwa sasa ndiyo kinu pekee cha nishati ya viwanda duniani kote.
Ujenzi wa BN-800
Wanarudi
Walakini, kwa sasa, umakini wa wataalam na umma umeelekezwa tena kwenye mitambo ya nyuklia na vinu vya haraka vya nyutroni. Kulingana na makadirio yaliyofanywa na Wakala wa Kimataifa wa Nishati ya Atomiki (IAEA) mwaka 2005, jumla ya akiba iliyothibitishwa ya urani, ambayo gharama ya uchimbaji wake haizidi dola 130 kwa kilo, ni takriban tani milioni 4.7. Kulingana na makadirio ya IAEA, hifadhi hizi zitadumu kwa miaka 85 (kulingana na mahitaji ya uranium kwa uzalishaji wa umeme katika viwango vya 2004). Yaliyomo katika isotopu 235, ambayo "imechomwa" katika mitambo ya joto, katika uranium ya asili ni 0.72% tu, iliyobaki ni uranium-238, "isiyo na maana" kwa mitambo ya joto. Hata hivyo, tukibadilika na kutumia vinyunyuzi vya kasi vya nyutroni vyenye uwezo wa "kuchoma" uranium-238, hifadhi hizi hizi zitadumu kwa zaidi ya miaka 2500!
Zaidi ya hayo, mitambo ya nyutroni ya haraka hufanya iwezekanavyo kutekeleza mzunguko wa mafuta uliofungwa (haujatekelezwa kwa sasa katika BN-600). Kwa kuwa uranium-238 pekee ni "kuchomwa," baada ya usindikaji (kuondoa bidhaa za fission na kuongeza sehemu mpya za uranium-238), mafuta yanaweza kupakiwa tena kwenye reactor. Na kwa kuwa mzunguko wa uranium-plutonium hutoa plutonium zaidi kuliko kuoza, mafuta ya ziada yanaweza kutumika kwa reactor mpya.
Zaidi ya hayo, njia hii inaweza kutumika kuchakata plutonium ya kiwango cha silaha za ziada, pamoja na plutonium na actinidi ndogo (neptunium, americium, curium) inayotolewa kutoka kwa mafuta yaliyotumiwa kutoka kwa vinu vya kawaida vya joto (actinides ndogo kwa sasa inawakilisha sehemu hatari sana ya taka ya mionzi) . Wakati huo huo, kiasi cha taka ya mionzi ikilinganishwa na mitambo ya joto hupunguzwa kwa zaidi ya mara ishirini.
Laini tu kwenye karatasi
Kwa nini, licha ya faida zao zote, jenereta za neutroni za haraka hazijaenea? Hii ni hasa kutokana na upekee wa muundo wao. Kama ilivyoelezwa hapo juu, maji hayawezi kutumika kama baridi, kwani ni msimamizi wa neutroni. Kwa hivyo, mitambo ya haraka hutumia metali katika hali ya kioevu - kutoka kwa aloi za risasi-bismuth za kigeni hadi sodiamu ya kioevu (chaguo la kawaida kwa mimea ya nyuklia).
"Katika vinu vya haraka vya nyutroni, mizigo ya mafuta na mionzi ni ya juu zaidi kuliko ya mitambo ya joto," anaelezea Mikhail Bakanov, mhandisi mkuu wa Beloyarsk NPP, kwa PM. "Hii inasababisha hitaji la kutumia vifaa maalum vya kimuundo kwa chombo cha reactor na mifumo ya in-reactor. Majumba ya vijiti vya mafuta na mikusanyiko ya mafuta hayajatengenezwa kwa aloi za zirconium, kama katika vinu vya joto, lakini kwa vyuma maalum vya chromium vilivyounganishwa, ambavyo haviwezi kuathiriwa na "uvimbe" wa mionzi. Kwa upande mwingine, kwa mfano, chombo cha reactor haiko chini ya mizigo inayohusishwa na shinikizo la ndani - ni juu kidogo tu kuliko shinikizo la anga.
Kulingana na Mikhail Bakanov, katika miaka ya kwanza ya operesheni shida kuu zilihusishwa na uvimbe wa mionzi na kupasuka kwa mafuta. Shida hizi, hata hivyo, zilitatuliwa hivi karibuni, vifaa vipya vilitengenezwa - kwa mafuta na kwa nyumba za fimbo za mafuta. Lakini hata sasa, kampeni ni mdogo sio sana kwa kuchoma mafuta (ambayo kwenye BN-600 hufikia 11%), lakini kwa maisha ya rasilimali ya vifaa ambavyo mafuta, vijiti vya mafuta na makusanyiko ya mafuta hufanywa. Matatizo zaidi ya kiutendaji yalihusishwa hasa na uvujaji wa sodiamu katika saketi ya pili, metali inayofanya kazi kwa kemikali na hatari ya moto ambayo humenyuka kwa ukali inapogusana na hewa na maji: "Ni Urusi na Ufaransa pekee ndizo zilizo na uzoefu wa muda mrefu katika kuendesha vinu vya umeme vya haraka vya neutroni. . Sisi na wataalam wa Ufaransa tulikabili shida sawa tangu mwanzo. Tulizitatua kwa mafanikio, tangu mwanzo kutoa njia maalum za kuangalia ukali wa mizunguko, ujanibishaji na kukandamiza uvujaji wa sodiamu. Lakini mradi wa Ufaransa haukuwa tayari kwa shida kama hizo; kwa sababu hiyo, kiboreshaji cha Phenix hatimaye kilizimwa mnamo 2009.
"Matatizo yalikuwa sawa," anaongeza Nikolai Oshkanov, mkurugenzi wa Beloyarsk NPP, "lakini yalitatuliwa hapa na Ufaransa kwa njia tofauti. Kwa mfano, mkuu wa mojawapo ya makusanyiko ya Phenix alipoinama ili kuinyakua na kuipakua, wataalamu wa Ufaransa walitengeneza mfumo tata na wa gharama kubwa wa ‘kuona’ kupitia safu ya sodiamu. Na tatizo lilelile lilipotokea kwetu, mmoja wa wahandisi wetu alipendekeza kutumia kamera ya video iliyowekwa katika muundo rahisi kama kengele ya kupiga mbizi - bomba lililofunguliwa chini na argon inayopulizwa kutoka juu. Mara tu myeyusho wa sodiamu ulipotolewa, waendeshaji waliweza kuhusisha utaratibu kupitia kiungo cha video na mkusanyiko uliopinda uliondolewa kwa ufanisi.
Haraka ya baadaye
Nikolai Oshkanov anasema: "Hakungekuwa na shauku kama hiyo katika teknolojia ya kasi ya kinu katika ulimwengu ikiwa sio kwa ufanisi wa muda mrefu wa operesheni ya BN-600 yetu," Nikolai Oshkanov anasema: "Maendeleo ya nishati ya nyuklia, kwa maoni yangu, yanahusishwa kimsingi. na uzalishaji wa serial na uendeshaji wa mitambo ya haraka. Ni wao tu wanaowezesha kuhusisha uranium yote ya asili katika mzunguko wa mafuta na hivyo kuongeza ufanisi, na pia kupunguza kiasi cha taka ya mionzi kwa makumi ya nyakati. Katika kesi hii, mustakabali wa nishati ya nyuklia utakuwa mzuri sana.
Kiyeyea chenye kasi cha nyutroni BN-800 (sehemu ya wima)
Kuna nini ndani yake
Eneo amilifu la kiyeyeyusha cha nyutroni haraka hupangwa kama kitunguu, katika tabaka
Mikusanyiko 370 ya mafuta huunda kanda tatu zilizo na urutubishaji tofauti wa uranium-235 - 17, 21 na 26% (hapo awali kulikuwa na kanda mbili tu, lakini ili kusawazisha kutolewa kwa nishati, tatu zilifanywa). Wamezungukwa na skrini za upande (mablanketi), au kanda za kuzaliana, ambapo makusanyiko yenye uranium iliyopungua au ya asili, inayojumuisha hasa isotopu 238. Katika mwisho wa vijiti vya mafuta juu na chini ya msingi pia kuna vidonge vya kupungua. uranium, ambayo huunda skrini za mwisho (uzalishaji wa kanda).
Makusanyiko ya mafuta (FA) ni seti ya vipengele vya mafuta vilivyokusanyika katika nyumba moja - zilizopo maalum za chuma zilizojaa pellets za oksidi ya urani na uboreshaji mbalimbali. Ili vijiti vya mafuta visigusane, na baridi inaweza kuzunguka kati yao, waya mwembamba hujeruhiwa kwenye zilizopo. Sodiamu huingia kwenye mkusanyiko wa mafuta kupitia mashimo ya chini ya kusukuma na hutoka kupitia madirisha katika sehemu ya juu.
Chini ya mkusanyiko wa mafuta kuna shank ambayo imeingizwa kwenye tundu la commutator, juu kuna sehemu ya kichwa, ambayo mkusanyiko unachukuliwa wakati wa overload. Makusanyiko ya mafuta ya uboreshaji tofauti yana maeneo tofauti ya kuweka, kwa hivyo haiwezekani kufunga kusanyiko mahali pabaya.
Ili kudhibiti reactor, fimbo 19 za fidia zilizo na boroni (absorber ya neutron) ili kulipa fidia kwa kuchomwa kwa mafuta, vijiti 2 vya kudhibiti moja kwa moja (kudumisha nguvu fulani), na vijiti 6 vya ulinzi vinavyotumika hutumiwa. Kwa kuwa mandharinyuma ya nyutroni ya uranium iko chini, kwa uanzishaji unaodhibitiwa wa kinu (na udhibiti katika viwango vya chini vya nishati) "mwangaza" hutumiwa - chanzo cha fotoneutroni (gamma emitter pamoja na berili).
Jinsi reactor ya BN-600 inavyofanya kazi
Reactor ina mpangilio muhimu, ambayo ni, chombo cha reactor kina eneo la kazi (1), pamoja na loops tatu (2) za mzunguko wa kwanza wa baridi, ambayo kila moja ina pampu yake kuu ya mzunguko (3) na mbili za kati. vibadilisha joto (4). Kipozaji ni sodiamu ya kimiminika, ambayo husukumwa kupitia kiini kutoka chini kwenda juu na kupashwa joto kutoka 370 hadi 550 ° C.
Kupitia vibadilishaji joto vya kati, huhamisha joto kwa sodiamu katika mzunguko wa pili (5), ambayo tayari huingia kwenye jenereta za mvuke (6), ambapo huvukiza maji na kuwasha mvuke kwa joto la 520 ° C (kwa shinikizo la 130). atm). Mvuke hutolewa kwa turbines kwa kupitisha kwenye mitungi ya shinikizo la juu (7), la kati (8) na la chini (9). Mvuke wa kutolea nje hupunguzwa kwa kupozwa na maji (10) kutoka kwenye bwawa la baridi na tena huingia kwenye jenereta za mvuke. Jenereta tatu za turbogenerator (11) za NPP ya Beloyarsk huzalisha MW 600 za nguvu za umeme. Cavity ya gesi ya reactor imejaa argon chini ya shinikizo la chini sana la ziada (kuhusu 0.3 atm).
Kupakia kwa upofu
Tofauti na mitambo ya joto, katika reactor ya BN-600 makusanyiko iko chini ya safu ya sodiamu ya kioevu, hivyo kuondolewa kwa makusanyiko yaliyotumiwa na ufungaji wa safi mahali pao (mchakato huu unaitwa upya upya) hutokea kwa hali iliyofungwa kabisa. Katika sehemu ya juu ya reactor kuna plugs kubwa na ndogo za rotary (eccentric jamaa kwa kila mmoja, yaani, axes yao ya mzunguko si sanjari). Safu yenye mifumo ya udhibiti na ulinzi, pamoja na utaratibu wa kupakia kupita kiasi na gripper ya aina ya collet, imewekwa kwenye kuziba ndogo ya mzunguko. Utaratibu wa rotary una vifaa vya "muhuri wa majimaji" uliofanywa na alloy maalum ya kiwango cha chini. Katika hali yake ya kawaida ni imara, lakini ili kuwasha upya huwashwa hadi kiwango cha kuyeyuka, wakati reactor inabaki imefungwa kabisa, ili kutolewa kwa gesi za mionzi kufutwa kivitendo.
Mchakato wa kupakia tena mkusanyiko mmoja huchukua hadi saa moja, kupakia tena theluthi moja ya msingi (kuhusu mkusanyiko wa mafuta 120) huchukua muda wa wiki moja (katika zamu tatu), utaratibu huu unafanywa kila kampeni ndogo (siku 160 za ufanisi, zilizohesabiwa kwa ukamilifu. nguvu). Kweli, sasa kuchomwa kwa mafuta imeongezeka, na robo tu ya msingi ni overloaded (takriban 90 makusanyiko ya mafuta). Katika kesi hiyo, operator hawana maoni ya moja kwa moja ya kuona na inaongozwa tu na viashiria vya sensorer za pembe za mzunguko wa safu na grippers (usahihi wa nafasi ni chini ya digrii 0.01), nguvu za uchimbaji na ufungaji. Kwa sababu za usalama, vikwazo fulani vinawekwa kwa uendeshaji wa utaratibu: kwa mfano, seli mbili za karibu haziwezi kutolewa wakati huo huo; kwa kuongeza, wakati wa kuzidiwa, vijiti vyote vya udhibiti na ulinzi lazima ziwe katika eneo la kazi.
Mnamo 1983, kwa msingi wa BN-600, biashara ilitengeneza mradi wa kiboreshaji cha BN-800 kilichoboreshwa kwa kitengo cha nguvu na uwezo wa 880 MW (e). Mnamo 1984, kazi ilianza katika ujenzi wa vinu viwili vya BN-800 huko Beloyarsk na mimea mpya ya nyuklia ya Ural Kusini. Ucheleweshaji uliofuata wa ujenzi wa mitambo hii ilitumika kuboresha muundo ili kuboresha zaidi usalama wake na kuboresha viashiria vya kiufundi na kiuchumi. Kazi ya ujenzi wa BN-800 ilianza tena mnamo 2006 katika Beloyarsk NPP (kitengo cha 4 cha nguvu) na inapaswa kukamilika mnamo 2014.
Reactor ya BN-800 inayojengwa ina kazi zifuatazo muhimu:
- Kuhakikisha uendeshaji wa mafuta ya MOX.
- Maonyesho ya majaribio ya vipengele muhimu vya mzunguko wa mafuta uliofungwa.
- Upimaji katika hali halisi ya uendeshaji wa aina mpya za vifaa na ufumbuzi wa kiufundi ulioboreshwa ulioanzishwa ili kuboresha ufanisi, kuegemea na usalama.
- Ukuzaji wa teknolojia za kibunifu kwa vinu vya nyutroni vya haraka vya siku zijazo na kipozezi cha chuma kioevu:
- kupima na uthibitisho wa mafuta ya juu na vifaa vya miundo;
- maonyesho ya teknolojia ya kuchoma actinides ndogo na kupitisha bidhaa za muda mrefu za fission, ambazo ni sehemu hatari zaidi ya taka za mionzi kutoka kwa nishati ya nyuklia.
Uendelezaji wa mradi wa kinu kilichoboreshwa cha kibiashara cha BN-1200 chenye uwezo wa MW 1220 unaendelea.
Reactor BN-1200 (sehemu ya wima)
Mpango ufuatao wa utekelezaji wa mradi huu umepangwa:
- 2010...2016 - uundaji wa muundo wa kiufundi wa mtambo wa kinu na utekelezaji wa mpango wa R&D.
- 2020 - kuwaagiza kwa kitengo kikuu cha nguvu kwa kutumia mafuta ya MOX na shirika la uzalishaji wake wa kati.
- 2023…2030 - uagizaji wa safu ya vitengo vya nguvu na uwezo wa jumla wa 11 GW.
Nishati ya nyuklia imepokea umakini zaidi kwa sababu ya ahadi yake. Ulimwenguni, karibu asilimia ishirini ya umeme hupatikana kwa kutumia mitambo ya nyuklia, na katika nchi zilizoendelea takwimu hii ya bidhaa ya nishati ya nyuklia ni kubwa zaidi - zaidi ya theluthi ya umeme wote. Walakini, aina kuu ya vinu vya maji hubaki kuwa vya joto, kama vile LWR na VVER. Wanasayansi wanaamini kuwa moja ya shida kuu za mitambo hii katika siku za usoni itakuwa uhaba wa mafuta asilia, uranium, na isotopu yake 238, muhimu kwa kutekeleza mmenyuko wa mnyororo wa fission. Kulingana na uwezekano wa kupungua kwa rasilimali za nyenzo hii ya asili ya mafuta kwa mitambo ya joto, vikwazo vinawekwa kwenye maendeleo ya nishati ya nyuklia. Matumizi ya mitambo ya nyuklia kwa kutumia neutroni za haraka, ambayo uzazi wa mafuta unawezekana, inachukuliwa kuwa ya kuahidi zaidi.
Historia ya maendeleo
Kulingana na mpango wa Wizara ya Sekta ya Atomiki ya Shirikisho la Urusi mwanzoni mwa karne hii, kazi ziliwekwa ili kuunda na kuhakikisha uendeshaji salama wa vifaa vya nishati ya nyuklia, mitambo ya kisasa ya nyuklia ya aina mpya. Mojawapo ya vifaa hivi ilikuwa kituo cha nguvu za nyuklia cha Beloyarsk, kilichoko kilomita 50 karibu na Sverdlovsk (Ekaterinburg) Uamuzi wa kuunda ulifanyika mwaka wa 1957, na mwaka wa 1964 kitengo cha kwanza kilianza kutumika.
Vitalu vyake viwili vilifanya kazi ya mitambo ya nyuklia ya joto, ambayo kwa miaka ya 80-90 ya karne iliyopita ilikuwa imemaliza rasilimali zao. Katika kizuizi cha tatu, kinu ya neutron ya haraka ya BN-600 ilijaribiwa kwa mara ya kwanza ulimwenguni. Wakati wa kazi yake, matokeo yaliyopangwa na watengenezaji yalipatikana. Usalama wa mchakato pia ulikuwa bora. Katika kipindi cha mradi, kilichomalizika mwaka 2010, hakuna ukiukwaji mkubwa au upotovu ulifanyika. Muda wake wa mwisho unaisha ifikapo 2025. Tayari inaweza kusemwa kuwa vinu vya nyuklia vya haraka vya nyutroni, ambavyo ni pamoja na BN-600 na mrithi wake, BN-800, vina mustakabali mzuri.
Uzinduzi wa BN-800 mpya
Wanasayansi wa OKBM Afrikantov kutoka Gorky (Nizhny Novgorod ya sasa) alitayarisha mradi wa kitengo cha nne cha nguvu cha Beloyarsk NPP nyuma mnamo 1983. Kwa sababu ya ajali iliyotokea Chernobyl mnamo 1987 na kuanzishwa kwa viwango vipya vya usalama mnamo 1993, kazi ilisimamishwa na uzinduzi uliahirishwa kwa muda usiojulikana. Tu mwaka wa 1997, baada ya kupokea leseni ya ujenzi wa kitengo cha 4 na reactor ya BN-800 yenye uwezo wa 880 MW kutoka Gosatomnadzor, mchakato ulianza tena.
Mnamo Desemba 25, 2013, inapokanzwa kwa reactor ilianza kwa kuingia zaidi kwa baridi. Mnamo Juni ya kumi na nne, kama ilivyopangwa kulingana na mpango, misa ya kutosha kutekeleza athari ndogo ya mnyororo ilitokea. Kisha mambo yakakwama. Mafuta ya MOX, yanayojumuisha oksidi za nyufa za urani na plutonium, sawa na ile iliyotumiwa katika Kitengo cha 3, haikuwa tayari. Hivi ndivyo wasanidi programu walitaka kutumia kwenye kiboreshaji kipya. Ilinibidi kuchanganya na kutafuta chaguzi mpya. Kama matokeo, ili kuahirisha uzinduzi wa kitengo cha nguvu, waliamua kutumia mafuta ya urani katika sehemu ya mkutano. Uzinduzi wa kinu cha nyuklia cha BN-800 na kitengo nambari 4 ulifanyika mnamo Desemba 10, 2015.
Maelezo ya mchakato
Wakati wa operesheni katika kinu na neutroni za haraka, vitu vya sekondari huundwa kama matokeo ya mmenyuko wa fission, ambayo, inapofyonzwa na misa ya urani, huunda nyenzo mpya ya nyuklia plutonium-239, inayoweza kuendelea na mchakato wa mgawanyiko zaidi. Faida kuu ya mmenyuko huu ni utengenezaji wa nyutroni kutoka plutonium, ambayo hutumiwa kama mafuta kwa vinu vya nyuklia kwenye vinu vya nyuklia. Uwepo wake hufanya iwezekanavyo kupunguza uzalishaji wa urani, hifadhi ambayo ni mdogo. Kutoka kwa kilo ya uranium-235 unaweza kupata zaidi ya kilo ya plutonium-239, na hivyo kuhakikisha uzazi wa mafuta.
Kama matokeo, uzalishaji wa nishati katika vitengo vya nguvu za nyuklia na utumiaji mdogo wa urani adimu na hakuna vizuizi vya uzalishaji utaongezeka mamia ya mara. Inakadiriwa kuwa katika kesi hii, hifadhi za urani zitadumu kwa ubinadamu kwa makumi kadhaa ya karne. Chaguo mojawapo katika nishati ya nyuklia ili kudumisha usawa katika suala la matumizi ya uranium ya chini itakuwa uwiano wa 4 hadi 1, ambapo kwa kila reactor nne za joto moja inayofanya kazi kwenye neutroni za haraka itatumika.
Malengo ya BN-800
Wakati wa maisha yake ya uendeshaji katika kitengo cha nguvu Nambari 4 cha NPP ya Beloyarsk, kazi fulani zilipewa reactor ya nyuklia. Reactor ya BN-800 lazima ifanye kazi kwenye mafuta ya MOX. Hitch ndogo iliyotokea mwanzoni mwa kazi haikubadilisha mipango ya waumbaji. Kulingana na mkurugenzi wa Beloyarsk NPP, Bw. Sidorov, mpito kamili wa mafuta ya MOX utafanywa mnamo 2019. Hili likitokea, kinu cha nyuklia cha haraka cha nyutroni kitakuwa cha kwanza duniani kufanya kazi kikamilifu na mafuta kama hayo. Inapaswa kuwa kielelezo kwa vinu vya baadaye sawa na vya haraka vyenye kipozezi cha chuma kioevu, chenye tija zaidi na salama zaidi. Kulingana na hili, BN-800 inajaribu vifaa vya ubunifu chini ya hali ya uendeshaji, kuangalia matumizi sahihi ya teknolojia mpya zinazoathiri uaminifu na ufanisi wa kitengo cha nguvu.
class="eliadunit">
Kuangalia uendeshaji wa mfumo mpya wa mzunguko wa mafuta.
Vipimo vya kuchoma taka zenye mionzi kwa muda mrefu wa maisha.
Utupaji wa plutonium ya kiwango cha silaha iliyokusanywa kwa idadi kubwa.
BN-800, kama vile mtangulizi wake, BN-600, inapaswa kuwa mahali pa kuanzia kwa watengenezaji wa Kirusi kukusanya uzoefu muhimu katika uundaji na uendeshaji wa mitambo ya haraka.
Faida za reactor ya neutroni ya haraka
Matumizi ya BN-800 na vinu vya nyuklia sawa katika nishati ya nyuklia inaruhusu
Kuongeza kwa kiasi kikubwa maisha ya hifadhi ya rasilimali ya urani, ambayo huongeza kwa kiasi kikubwa kiasi cha nishati iliyopokelewa.
Uwezo wa kupunguza maisha ya bidhaa za fission ya mionzi kwa kiwango cha chini (kutoka miaka elfu kadhaa hadi mia tatu).
Kuongeza usalama wa mitambo ya nyuklia. Matumizi ya reactor ya haraka ya neutroni inaruhusu uwezekano wa kuyeyuka kwa msingi kusawazishwa kwa kiwango cha chini, inaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa kiwango cha ulinzi wa kituo, na kuondokana na kutolewa kwa plutonium wakati wa usindikaji. Reactor za aina hii zilizo na kipozezi cha sodiamu zina kiwango cha usalama kilichoongezeka.
Mnamo Agosti 17, 2016, kitengo cha nguvu Nambari 4 cha NPP ya Beloyarsk kilifikia operesheni ya nguvu ya 100%. Tangu Desemba mwaka jana, mfumo jumuishi wa Ural umekuwa ukipokea nishati inayozalishwa kwa kasi ya kasi.
class="eliadunit">