Принцип роботи та конструкція ядерного реактора

Щоб зрозуміти принцип роботи та конструкцію ядерного реактора, потрібно зробити невеликий екскурс у минуле. Атомний реактор – це багатовікова втілена, нехай і не до кінця, мрія людства про невичерпне джерелі енергії. Його стародавній «прабатько» — багаття з сухих гілок, яке одного разу осяяло та зігріло склепіння печери, де знаходили порятунок від холоду наші далекі предки. Пізніше люди освоїли вуглеводні – вугілля, сланці, нафту та природний газ.

Настала бурхлива, але недовга епоха пари, яку змінила ще більш фантастична епоха електрики. Міста наповнювалися світлом, а цехи – гулом небачених досі машин, що приводяться в рух електродвигунами. Тоді здавалося, що прогрес досяг свого апогею.

Все змінилося в кінці XIX століття, коли французький хімік Антуан Анрі Беккерель випадково знайшов, що солі урану мають радіоактивність. Через 2 роки, його співвітчизники П’єр Кюрі та його дружина Марія Склодовська-Кюрі отримали з них радій і полоній, причому рівень їх радіоактивності в мільйони разів перевершував показники торію та урану.

Естафету підхопив Ернест Резерфорд, що детально вивчив природу радіоактивних променів. Так починалося століття атома, що явив на світ своє улюблене дитя – атомний реактор.

Перший ядерний реактор

«Первісток» родом із США. У грудні 1942 року дав перший струм реактор, якому дісталося ім’я його творця — одного з найвидатніших фізиків століття Е. Фермі. За три роки потому в Канаді знайшла життя ядерна установка ZEEP. «Бронза» дісталася першому радянському реактору Ф-1, запущеному в кінці 1946 року. Керівником ядерного проекту став В. В. Курчатов. Сьогодні у світі успішно працюють більше 400 ядерних енергоблоків.

Типи ядерних реакторів

Їх основне призначення – підтримувати контрольовану ядерну реакцію, що виробляє електроенергію. На деяких реакторах виробляються ізотопи. Якщо коротко, то вони являють собою пристрої, в надрах яких одні речовини перетворюються в інші з виділенням великої кількості теплової енергії. Це своєрідна «піч», де замість традиційних видів палива «згоряють» ізотопи урану – U-235, U-238 і плутоній (Pu).

На відміну, приміром, від автомобіля, розрахованого на кілька видів бензину, кожному виду радіоактивного палива відповідає свій тип реактора. Їх два – на повільних (з U-235) і швидких (c U-238 і Pu) нейтронах. На більшості АЕС встановлені реактори на повільних нейтронах. Крім АЕС, установки «працюють» в дослідницьких центрах, на атомних субмаринах та опріснювачах морської води.

Як влаштований реактор

У всіх реакторів приблизно одна схема. Його «серце» — активна зона. Її можна умовно порівняти з топкою звичайної грубки. Тільки замість дров там знаходиться ядерне паливо у вигляді тепловиділяючих елементів зі сповільнювачем – Твелів. Активна зона знаходиться всередині своєрідної капсули — відбивачі нейтронів. Твели «омиваються» теплоносієм – водою. Оскільки в «серці» дуже високий рівень радіоактивності, його оточує надійний радіаційний захист.

Оператори контролюють роботу установки з допомогою двох найважливіших систем – регулювання ланцюгової реакції та дистанційної системи управління. Якщо виникає нештатна ситуація, миттєво спрацьовує аварійний захист.

Як працює реактор

Атомне «полум’я» невидимо, бо процеси відбуваються на рівні поділу ядер. В ході ланцюгової реакції важкі ядра розпадаються на більш дрібні фрагменти, які, бувши у збудженому стані, стають джерелами нейтронів та інших субатомних частинок. Але на цьому процес не закінчується. Нейтрони продовжують «дробитися», в результаті чого вивільняється велика енергія, тобто, відбувається те, заради чого і будуються АЕС.

Основне завдання персоналу – підтримання ланцюгової реакції за допомогою керуючих стрижнів на постійному, регульованому рівні. У цьому його головна відмінність від атомної бомби, де процес ядерного розпаду некерований та протікає стрімко, у вигляді потужного вибуху.

Що сталося на Чорнобильській АЕС

Одна з основних причин катастрофи на Чорнобильській АЕС у квітні 1986 року – грубе порушення експлуатаційних правил безпеки в процесі проведення регламентних робіт на 4-му енергоблоці. Тоді з активної зони було одночасно виведено 203 графітових стрижня замість 15, дозволених регламентом. У підсумку, почалася некерована ланцюгова реакція, що завершилася тепловим вибухом і повним руйнуванням енергоблоку.