Produzione del reattore nucleare. Come funziona e funziona un reattore nucleare. La nascita dell'energia nucleare

La generazione di energia nucleare è un metodo moderno e in rapido sviluppo per produrre elettricità. Sai come funzionano le centrali nucleari? Qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare? Quali tipi di reattori nucleari esistono oggi? Cercheremo di considerare in dettaglio lo schema operativo di una centrale nucleare, approfondire la struttura di un reattore nucleare e scoprire quanto sia sicuro il metodo nucleare per generare elettricità.

Qualsiasi stazione è un'area chiusa lontana da una zona residenziale. Sul suo territorio sono presenti diversi edifici. La struttura più importante è l'edificio del reattore, accanto ad esso si trova la sala turbine da cui viene controllato il reattore, e l'edificio di sicurezza.

Lo schema è impossibile senza un reattore nucleare. Un reattore atomico (nucleare) è un dispositivo di una centrale nucleare progettato per organizzare una reazione a catena di fissione di neutroni con il rilascio obbligatorio di energia durante questo processo. Ma qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare?

L'intero impianto del reattore è ospitato nell'edificio del reattore, una grande torre di cemento che nasconde il reattore e conterrà tutti i prodotti della reazione nucleare in caso di incidente. Questa grande torre è chiamata contenimento, guscio ermetico o zona di contenimento.

La zona ermetica nei nuovi reattori ha 2 spessi muri di cemento - gusci.
Un guscio esterno spesso 80 cm protegge la zona di contenimento dagli influssi esterni.

Il guscio interno, spesso 1 metro e 20 cm, è dotato di speciali cavi d'acciaio che aumentano di quasi tre volte la resistenza del calcestruzzo e impediscono lo sgretolamento della struttura. Internamente è rivestito da una sottile lamiera di acciaio speciale, progettata per fungere da protezione aggiuntiva per il contenimento e, in caso di incidente, per non rilasciare il contenuto del reattore al di fuori della zona di contenimento.

Questo design della centrale nucleare le consente di resistere a un incidente aereo del peso di 200 tonnellate, un terremoto di magnitudo 8, un tornado e uno tsunami.

Il primo guscio pressurizzato fu costruito nella centrale nucleare americana Connecticut Yankee nel 1968.

L'altezza totale della zona di contenimento è di 50-60 metri.

In cosa consiste un reattore nucleare?

Per comprendere il principio di funzionamento di un reattore nucleare, e quindi il principio di funzionamento di una centrale nucleare, è necessario comprendere i componenti del reattore.

• Zona attiva. Questa è l'area in cui sono posizionati il ​​combustibile nucleare (generatore di combustibile) e il moderatore. Gli atomi di combustibile (molto spesso l'uranio è il combustibile) subiscono una reazione di fissione a catena. Il moderatore è progettato per controllare il processo di fissione e consente la reazione richiesta in termini di velocità e forza.
• Riflettore di neutroni. Un riflettore circonda il nucleo. Consiste nello stesso materiale del moderatore. In sostanza, questa è una scatola, il cui scopo principale è impedire ai neutroni di lasciare il nucleo ed entrare nell'ambiente.
• Liquido refrigerante. Il liquido di raffreddamento deve assorbire il calore rilasciato durante la fissione degli atomi di combustibile e trasferirlo ad altre sostanze. Il refrigerante determina in gran parte il modo in cui è progettata una centrale nucleare. Il refrigerante più popolare oggi è l'acqua.
  Sistema di controllo del reattore. Sensori e meccanismi che alimentano il reattore di una centrale nucleare.

Combustibile per centrali nucleari

Su cosa funziona una centrale nucleare? I combustibili per le centrali nucleari sono elementi chimici con proprietà radioattive. In tutte le centrali nucleari, questo elemento è l'uranio.

La progettazione delle centrali implica che le centrali nucleari funzionino con combustibile composito complesso e non con un elemento chimico puro. E per estrarre il combustibile dall'uranio naturale, che viene caricato in un reattore nucleare, è necessario effettuare molte manipolazioni.

Uranio arricchito

L'uranio è costituito da due isotopi, cioè contiene nuclei con masse diverse. Sono stati nominati in base al numero di protoni e neutroni dell'isotopo -235 e dell'isotopo-238. I ricercatori del 20° secolo iniziarono a estrarre l'uranio 235 dal minerale, perché... era più facile scomporlo e trasformarlo. Si è scoperto che tale uranio in natura è solo dello 0,7% (la percentuale rimanente va al 238esimo isotopo).

Cosa fare in questo caso? Hanno deciso di arricchire l'uranio. L'arricchimento dell'uranio è un processo in cui rimangono molti degli isotopi 235x necessari e pochi isotopi 238x non necessari. Il compito degli arricchitori di uranio è trasformare lo 0,7% in quasi il 100% di uranio-235.

L'uranio può essere arricchito utilizzando due tecnologie: diffusione di gas o centrifuga di gas. Per utilizzarli, l'uranio estratto dal minerale viene convertito allo stato gassoso. Si arricchisce sotto forma di gas.

Polvere di uranio

Il gas di uranio arricchito viene convertito in uno stato solido: il biossido di uranio. Questo puro uranio solido 235 appare come grandi cristalli bianchi, che vengono successivamente frantumati in polvere di uranio.

Compresse di uranio

Le compresse di uranio sono dischi metallici solidi, lunghi un paio di centimetri. Per formare tali compresse dalla polvere di uranio, viene miscelato con una sostanza: un plastificante, che migliora la qualità della pressatura delle compresse.

I dischi pressati vengono cotti ad una temperatura di 1200 gradi Celsius per più di un giorno per conferire alle compresse particolare forza e resistenza alle alte temperature. Il funzionamento di una centrale nucleare dipende direttamente da quanto bene il combustibile di uranio viene compresso e cotto.

Le compresse sono cotte in scatole di molibdeno, perché solo questo metallo è in grado di non sciogliersi a temperature “infernali” di oltre millecinquecento gradi. Successivamente, il combustibile a base di uranio per le centrali nucleari è considerato pronto.

Cosa sono TVEL e FA?

Il nocciolo del reattore sembra un enorme disco o tubo con fori nelle pareti (a seconda del tipo di reattore), 5 volte più grande del corpo umano. Questi fori contengono combustibile di uranio, i cui atomi eseguono la reazione desiderata.

È impossibile gettare semplicemente combustibile nel reattore, a meno che non si voglia provocare l'esplosione dell'intera centrale e un incidente con conseguenze per un paio di stati vicini. Pertanto, il combustibile di uranio viene collocato in barre di combustibile e quindi raccolto in gruppi di combustibile. Cosa significano queste abbreviazioni?

• TVEL è un elemento combustibile (da non confondere con lo stesso nome dell'azienda russa che li produce). Si tratta essenzialmente di un tubo di zirconio sottile e lungo realizzato con leghe di zirconio in cui vengono inserite le compresse di uranio. È nelle barre di combustibile che gli atomi di uranio iniziano a interagire tra loro, rilasciando calore durante la reazione.

Lo zirconio è stato scelto come materiale per la produzione di barre di combustibile per la sua refrattarietà e proprietà anticorrosive.

Il tipo di barre di combustibile dipende dal tipo e dalla struttura del reattore. Di norma, la struttura e lo scopo delle barre di combustibile non cambiano; la lunghezza e la larghezza del tubo possono variare.

La macchina carica più di 200 pellet di uranio in un tubo di zirconio. In totale, nel reattore lavorano contemporaneamente circa 10 milioni di pellet di uranio.
FA – gruppo carburante. I lavoratori della centrale nucleare chiamano pacchetti di assemblaggi di carburante.

Essenzialmente, si tratta di diverse barre di combustibile fissate insieme. L'FA è il combustibile nucleare finito, quello con cui opera una centrale nucleare. Sono i gruppi di combustibile che vengono caricati nel reattore nucleare. In un reattore vengono collocati circa 150-400 gruppi di combustibile.
A seconda del reattore in cui funzioneranno i gruppi di combustibile, questi hanno forme diverse. A volte i fasci sono piegati in forma cubica, a volte cilindrica, a volte esagonale.

Un gruppo di carburante in 4 anni di funzionamento produce la stessa quantità di energia di quando si bruciano 670 auto di carbone, 730 serbatoi di gas naturale o 900 serbatoi di petrolio.
Oggi i gruppi di combustibile vengono prodotti principalmente negli stabilimenti in Russia, Francia, Stati Uniti e Giappone.

Per fornire combustibile per le centrali nucleari ad altri paesi, i gruppi di combustibile vengono sigillati in tubi metallici lunghi e larghi, l'aria viene pompata fuori dai tubi e consegnata da macchine speciali agli aerei cargo.

Il combustibile nucleare per le centrali nucleari pesa in modo proibitivo, perché... L'uranio è uno dei metalli più pesanti del pianeta. Il suo peso specifico è 2,5 volte maggiore di quello dell'acciaio.

Centrale nucleare: principio di funzionamento

Qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare? Il principio di funzionamento delle centrali nucleari si basa su una reazione a catena di fissione degli atomi di una sostanza radioattiva: l'uranio. Questa reazione avviene nel nocciolo di un reattore nucleare.

È IMPORTANTE SAPERE:

Senza entrare nei dettagli della fisica nucleare, il principio di funzionamento di una centrale nucleare si presenta così:
Dopo l'avvio di un reattore nucleare, dalle barre di combustibile vengono rimosse le barre assorbitrici che impediscono la reazione dell'uranio.

Una volta rimosse le barre, i neutroni di uranio iniziano a interagire tra loro.

Quando i neutroni si scontrano, si verifica una mini-esplosione a livello atomico, l'energia viene rilasciata e nascono nuovi neutroni, inizia a verificarsi una reazione a catena. Questo processo genera calore.

Il calore viene trasferito al liquido di raffreddamento. A seconda del tipo di liquido refrigerante, si trasforma in vapore o gas, che fa ruotare la turbina.

La turbina aziona un generatore elettrico. È lui che effettivamente genera la corrente elettrica.

Se non si monitora il processo, i neutroni dell'uranio possono scontrarsi tra loro fino a far esplodere il reattore e ridurre in mille pezzi l'intera centrale nucleare. Il processo è controllato da sensori di computer. Rilevano un aumento della temperatura o un cambiamento della pressione nel reattore e possono interrompere automaticamente le reazioni.

In che modo il principio di funzionamento delle centrali nucleari differisce dalle centrali termoelettriche (centrali termoelettriche)?

Ci sono differenze nel lavoro solo nelle prime fasi. In una centrale nucleare, il liquido di raffreddamento riceve calore dalla fissione degli atomi di combustibile di uranio; in una centrale termica, il liquido di raffreddamento riceve calore dalla combustione di combustibile organico (carbone, gas o petrolio). Dopo che gli atomi di uranio o il gas e il carbone hanno rilasciato calore, gli schemi operativi delle centrali nucleari e delle centrali termiche sono gli stessi.

Tipi di reattori nucleari

Il funzionamento di una centrale nucleare dipende esattamente da come funziona il suo reattore nucleare. Oggi esistono due tipi principali di reattori, classificati in base allo spettro dei neuroni:
Un reattore a neutroni lenti, chiamato anche reattore termico.

Per il suo funzionamento viene utilizzato l'uranio 235, che attraversa le fasi di arricchimento, creazione di pellet di uranio, ecc. Oggi, la stragrande maggioranza dei reattori utilizza neutroni lenti.
Reattore a neutroni veloci.

Questi reattori sono il futuro, perché... Lavorano sull'uranio-238, che in natura ce n'è una dozzina e non è necessario arricchire questo elemento. L’unico svantaggio di tali reattori sono i costi molto elevati di progettazione, costruzione e avviamento. Oggi i reattori a neutroni veloci funzionano solo in Russia.

Il refrigerante nei reattori a neutroni veloci è mercurio, gas, sodio o piombo.

Anche i reattori a neutroni lenti, utilizzati oggi da tutte le centrali nucleari del mondo, sono disponibili in diversi tipi.

L'organizzazione AIEA (Agenzia internazionale per l'energia atomica) ha creato una propria classificazione, che viene spesso utilizzata nell'industria globale dell'energia nucleare. Poiché il principio di funzionamento di una centrale nucleare dipende in gran parte dalla scelta del refrigerante e del moderatore, l'AIEA ha basato la sua classificazione su queste differenze.

Da un punto di vista chimico, l'ossido di deuterio è un moderatore e refrigerante ideale, perché i suoi atomi interagiscono più efficacemente con i neutroni dell'uranio rispetto ad altre sostanze. In poche parole, l’acqua pesante svolge il suo compito con perdite minime e massimi risultati. Tuttavia, la sua produzione costa denaro, mentre la normale acqua “leggera” e familiare è molto più facile da usare.

Alcuni fatti sui reattori nucleari...

È interessante notare che ci vogliono almeno 3 anni per costruire un reattore di una centrale nucleare!
Per costruire un reattore sono necessarie apparecchiature che funzionano con una corrente elettrica di 210 kiloampere, che è un milione di volte superiore alla corrente che può uccidere una persona.

Un guscio (elemento strutturale) di un reattore nucleare pesa 150 tonnellate. Ci sono 6 di questi elementi in un reattore.

Reattore ad acqua pressurizzata

Abbiamo già scoperto come funziona una centrale nucleare in generale; per mettere tutto in prospettiva, diamo un’occhiata a come funziona il più popolare reattore nucleare ad acqua pressurizzata.
Oggi, i reattori ad acqua pressurizzata di terza generazione vengono utilizzati in tutto il mondo. Sono considerati i più affidabili e sicuri.

Tutti i reattori ad acqua pressurizzata nel mondo, nel corso di tutti gli anni di funzionamento, hanno già accumulato più di 1000 anni di funzionamento senza problemi e non hanno mai presentato gravi deviazioni.

La struttura delle centrali nucleari che utilizzano reattori ad acqua pressurizzata implica che l'acqua distillata riscaldata a 320 gradi circoli tra le barre di combustibile. Per evitare che passi allo stato di vapore, viene mantenuto sotto una pressione di 160 atmosfere. Lo schema della centrale nucleare la chiama acqua del circuito primario.

L'acqua riscaldata entra nel generatore di vapore e cede il suo calore all'acqua del circuito secondario, dopodiché “ritorna” nuovamente al reattore. Esternamente, sembra che i tubi dell'acqua del primo circuito siano in contatto con altri tubi: l'acqua del secondo circuito, si trasferiscono il calore tra loro, ma le acque non entrano in contatto. I tubi sono in contatto.

Pertanto, è esclusa la possibilità che le radiazioni entrino nel circuito secondario dell'acqua, che parteciperà ulteriormente al processo di generazione di elettricità.

Sicurezza operativa della centrale nucleare

Avendo appreso il principio di funzionamento delle centrali nucleari, dobbiamo capire come funziona la sicurezza. La progettazione delle centrali nucleari richiede oggi una maggiore attenzione alle norme di sicurezza.
I costi per la sicurezza della centrale nucleare rappresentano circa il 40% del costo totale dell’impianto stesso.

La progettazione della centrale nucleare prevede 4 barriere fisiche che impediscono il rilascio di sostanze radioattive. Cosa dovrebbero fare queste barriere? Al momento giusto, essere in grado di fermare la reazione nucleare, garantire una costante rimozione del calore dal nocciolo e dal reattore stesso e impedire il rilascio di radionuclidi oltre il contenimento (zona ermetica).

• La prima barriera è la resistenza dei pellet di uranio.È importante che non vengano distrutti dalle alte temperature in un reattore nucleare. Gran parte del funzionamento di una centrale nucleare dipende da come i pellet di uranio vengono “cotti” durante la fase di produzione iniziale. Se i pellet di combustibile di uranio non vengono cotti correttamente, le reazioni degli atomi di uranio nel reattore saranno imprevedibili.
• La seconda barriera è la tenuta delle barre di combustibile. I tubi di zirconio devono essere sigillati ermeticamente; se il sigillo è rotto, nella migliore delle ipotesi il reattore verrà danneggiato e il lavoro si fermerà, nella peggiore delle ipotesi, tutto volerà in aria;
• La terza barriera è un contenitore del reattore in acciaio resistente a, (quella stessa grande torre - zona ermetica) che “contiene” tutti i processi radioattivi. Se l'alloggiamento è danneggiato, le radiazioni fuoriescono nell'atmosfera.
• La quarta barriera sono le aste di protezione di emergenza. Le aste con moderatori sono sospese sopra il nucleo tramite magneti, che possono assorbire tutti i neutroni in 2 secondi e fermare la reazione a catena.

Se, nonostante la progettazione di una centrale nucleare con molti gradi di protezione, non è possibile raffreddare il nocciolo del reattore al momento giusto e la temperatura del carburante sale a 2600 gradi, allora entra in gioco l'ultima speranza del sistema di sicurezza - la cosiddetta trappola del fuso.

Il fatto è che a questa temperatura il fondo del recipiente del reattore si scioglierà e tutti i resti del combustibile nucleare e delle strutture fuse fluiranno in uno speciale "vetro" sospeso sopra il nocciolo del reattore.

La trappola per fusione è refrigerata e ignifuga. È riempito con il cosiddetto “materiale sacrificale”, che arresta gradualmente la reazione a catena della fissione.

Pertanto, la progettazione di una centrale nucleare implica diversi gradi di protezione, che eliminano quasi completamente ogni possibilità di incidente.

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I reattori nucleari industriali furono inizialmente sviluppati solo nei paesi dotati di armi nucleari. Gli Stati Uniti, l’Unione Sovietica, la Gran Bretagna e la Francia stavano esplorando attivamente diverse opzioni per i reattori nucleari. Tuttavia, successivamente, nell'energia nucleare iniziarono a dominare tre tipi principali di reattori, che differivano principalmente nel combustibile, nel refrigerante utilizzato per mantenere la temperatura richiesta del nucleo e nel moderatore utilizzato per ridurre la velocità dei neutroni rilasciati durante il processo di decadimento e necessario per mantenere la reazione a catena.

Tra questi, il primo (e il più comune) tipo è un reattore all'uranio arricchito, in cui sia il refrigerante che il moderatore sono acqua ordinaria o “leggera” (reattore ad acqua leggera). Esistono due ispezioni fondamentali di un reattore ad acqua leggera: un pector, in cui il PAP, a cui viene iniettata la zona attiva (reattore bollente), e il pectoP, in cui il PAP viene superato nella zona esterna o seconda, il contrasto associato all'infiorescenza degli scambiatori di calore e al paraductois P , vedi sotto). Lo sviluppo di un reattore ad acqua leggera è iniziato nell'ambito dei programmi delle forze armate statunitensi. Così, negli anni '50, la General Electric e la Westinghouse svilupparono reattori ad acqua leggera per sottomarini e portaerei della Marina americana. Queste società sono state coinvolte anche nell'attuazione di programmi militari per lo sviluppo di tecnologie per la rigenerazione e l'arricchimento del combustibile nucleare. Nello stesso decennio, l'Unione Sovietica sviluppò un reattore ad acqua bollente con un moderatore di grafite.

Il secondo tipo di reattore, che ha trovato applicazione pratica, è un reattore raffreddato a gas (con moderatore di grafite). La sua creazione era anche strettamente correlata ai primi programmi di armi nucleari. Tra la fine degli anni Quaranta e l’inizio degli anni Cinquanta, Gran Bretagna e Francia, nel tentativo di creare le proprie bombe atomiche, si concentrarono sullo sviluppo di reattori raffreddati a gas che producessero plutonio per armi in modo abbastanza efficiente e potessero funzionare anche con uranio naturale.

Il terzo tipo di reattore che ha avuto successo commerciale è un reattore in cui sia il refrigerante che il moderatore sono acqua pesante e anche il combustibile è uranio naturale. All’inizio dell’era nucleare, i potenziali benefici dei reattori ad acqua pesante furono esplorati in diversi paesi. Tuttavia, la produzione di tali reattori si concentrò allora soprattutto in Canada, in parte a causa delle sue vaste riserve di uranio.

Attualmente esistono cinque tipi di reattori nucleari nel mondo. Si tratta del reattore VVER (Water-Water Energy Reactor), RBMK (High Power Channel Reactor), reattore ad acqua pesante, reattore a sfera con circuito di gas, reattore a neutroni veloci. Ogni tipo di reattore ha caratteristiche progettuali che lo distinguono dagli altri, anche se, ovviamente, alcuni elementi progettuali possono essere presi in prestito da altri tipi. I VVER sono stati costruiti principalmente nell’ex Unione Sovietica e nell’Europa orientale; ci sono molti reattori di tipo RBMK in Russia, Europa occidentale e Sud-Est asiatico, principalmente in America.

VVER. I reattori VVER sono il tipo di reattore più comune in Russia. Il basso costo del refrigerante moderatore utilizzato in essi e la relativa sicurezza operativa sono molto interessanti, nonostante la necessità di utilizzare uranio arricchito in questi reattori. Dal nome stesso del reattore VVER ne consegue che sia il suo moderatore che il refrigerante sono normali acqua leggera. Come combustibile viene utilizzato l'uranio arricchito al 4,5%.

RBMK. L'RBMK è costruito su un principio leggermente diverso rispetto al VVER. Prima di tutto, l'ebollizione avviene nel suo nucleo: dal reattore esce una miscela acqua-vapore che, passando attraverso i separatori, si divide in acqua, che ritorna all'ingresso del reattore, e vapore, che va direttamente alla turbina. L'energia elettrica generata dalla turbina viene spesa, come nel reattore VVER, anche per il funzionamento delle pompe di circolazione. Il suo schema elettrico è mostrato in Fig. 4.

La potenza elettrica di RBMK è di 1000 MW. Le centrali nucleari con reattori RBMK costituiscono una quota significativa del settore dell'energia nucleare. Così le centrali nucleari di Leningrado, Kursk, Chernobyl, Smolensk e Ignalina ne sono dotate.

Quando si confrontano diversi tipi di reattori nucleari, vale la pena concentrarsi sui due tipi più comuni di questi dispositivi nel nostro paese e nel mondo: VVER e RBMK. Le differenze più fondamentali: VVER - reattore con recipiente a pressione (la pressione è mantenuta dal recipiente del reattore); RBMK – reattore a canali (la pressione viene mantenuta indipendentemente in ciascun canale); in VVER il refrigerante e il moderatore sono la stessa acqua (non viene introdotto alcun moderatore aggiuntivo), in RBMK il moderatore è grafite e il refrigerante è acqua; in VVER, il vapore viene generato nel secondo corpo del generatore di vapore; in RBMK, il vapore viene generato direttamente nel nocciolo del reattore (reattore in ebollizione) e va direttamente alla turbina - non esiste un secondo circuito. A causa della diversa struttura delle zone attive, anche i parametri operativi di questi reattori sono diversi. Per la sicurezza del reattore, il seguente parametro è importante: coefficiente di reattività– può essere rappresentato figurativamente come un valore che mostra come i cambiamenti nell’uno o nell’altro parametro del reattore influenzeranno l’intensità della reazione a catena in esso. Se questo coefficiente è positivo, allora con un aumento del parametro con cui viene dato il coefficiente, la reazione a catena nel reattore in assenza di altre influenze aumenterà e alla fine diventerà possibile che diventi incontrollabile e cascata aumentando: il reattore accelererà. Quando il reattore accelera, viene rilasciato un calore intenso, che porta alla fusione dei nuclei di combustibile, al flusso della loro massa fusa nella parte inferiore del nucleo, che può portare alla distruzione del contenitore del reattore e al rilascio di sostanze radioattive nel ambiente.

La Tabella 13 mostra gli indicatori di reattività per RBMK e VVER.

In un reattore VVER, quando il vapore appare nel nucleo o quando la temperatura del liquido di raffreddamento aumenta, portando ad una diminuzione della sua densità, il numero di collisioni dei neutroni con gli atomi delle molecole del liquido di raffreddamento diminuisce, di conseguenza la moderazione dei neutroni diminuisce di cui lasciano tutti il ​​nucleo senza reagire con altri nuclei. Il reattore si ferma.

Per riassumere, il reattore RBMK richiede meno arricchimento di combustibile, ha migliori capacità di produrre materiale fissile (plutonio), ha un ciclo operativo continuo, ma è potenzialmente più pericoloso durante il funzionamento. L'entità di questo pericolo dipende dalla qualità dei sistemi di protezione d'emergenza e dalle qualifiche del personale operativo. Inoltre, a causa dell'assenza di un circuito secondario, l'RBMK ha emissioni di radiazioni nell'atmosfera più elevate durante il funzionamento.

Reattore ad acqua pesante. In Canada e in America, gli sviluppatori di reattori nucleari, quando risolvevano il problema del mantenimento di una reazione a catena in un reattore, preferivano utilizzare l'acqua pesante come moderatore. L'acqua pesante ha un grado molto basso di assorbimento dei neutroni e proprietà moderatrici molto elevate, superiori a quelle della grafite. Di conseguenza, i reattori ad acqua pesante funzionano con combustibile non arricchito, il che elimina la necessità di costruire complessi e pericolosi impianti di arricchimento dell’uranio.

Reattore a letto sferico. In un reattore ball-fill, il nocciolo ha la forma di una palla nella quale vengono versati elementi combustibili, anche sferici. Ogni elemento è una sfera di grafite intervallata da particelle di ossido di uranio. Il gas viene pompato attraverso il reattore: molto spesso viene utilizzata anidride carbonica CO2. Il gas viene fornito al nucleo sotto pressione e successivamente entra nello scambiatore di calore. Il reattore è regolato da aste assorbitrici inserite nel nocciolo.

Reattore a neutroni veloci. Un reattore a neutroni veloci è molto diverso da tutti gli altri tipi di reattori. Il suo scopo principale è quello di fornire una produzione ampliata di plutonio fissile dall'uranio-238 con l'obiettivo di bruciare tutto o una parte significativa dell'uranio naturale, nonché le riserve esistenti di uranio impoverito. Con lo sviluppo del settore energetico dei reattori a neutroni veloci, il problema dell'autosufficienza dell'energia nucleare con il combustibile può essere risolto.

Non c'è alcun moderatore in un reattore a neutroni veloci. A questo proposito, come combustibile non viene utilizzato l'uranio-235, ma il plutonio e l'uranio-238, che possono essere fissili da neutroni veloci. Il plutonio è necessario per fornire una densità di flusso di neutroni sufficiente che l’uranio-238 da solo non può fornire. Il rilascio di calore di un reattore su neutroni veloci è da dieci a quindici volte superiore al rilascio di calore di reattori su neutroni lenti, e quindi invece dell'acqua (che semplicemente non può far fronte a un tale volume di energia per il trasferimento), viene utilizzata la fusione di sodio ( la sua temperatura all'ingresso è di 370 gradi e all'uscita - 550. Attualmente, i reattori a neutroni veloci non sono ampiamente utilizzati, principalmente a causa della complessità della progettazione e del problema di ottenere materiali sufficientemente stabili per le parti strutturali un reattore di questo tipo in Russia (presso la centrale nucleare di Beloyarsk) ha un grande futuro.

Per riassumere, vale la pena dire quanto segue. I reattori VVER sono abbastanza sicuri da utilizzare, ma richiedono uranio altamente arricchito. I reattori RBMK sono sicuri solo se utilizzati correttamente e dotati di sistemi di protezione ben sviluppati, ma sono in grado di utilizzare combustibile poco arricchito o addirittura combustibile esaurito proveniente dai VVER. I reattori ad acqua pesante vanno bene per tutti, ma la produzione dell’acqua pesante è troppo costosa. La tecnologia per la produzione di reattori a sfere non è ancora ben sviluppata, sebbene questo tipo di reattore dovrebbe essere riconosciuto come il più accettabile per un uso diffuso, in particolare a causa dell'assenza di conseguenze catastrofiche in caso di funzionamento del reattore. incidente. I reattori a neutroni veloci sono il futuro della produzione di combustibile per l'energia nucleare; questi reattori utilizzano il combustibile nucleare in modo più efficiente, ma la loro progettazione è molto complessa e ancora inaffidabile.

Reattore nucleare (nucleare).
reattore nucleare

Reattore nucleare (nucleare). – un impianto in cui viene effettuata una reazione a catena di fissione nucleare controllata e autosufficiente. I reattori nucleari sono utilizzati nell'energia nucleare e per scopi di ricerca. La parte principale del reattore è il suo nucleo, dove avviene la fissione nucleare e viene rilasciata l'energia nucleare. La zona attiva, che solitamente ha la forma di un cilindro con un volume compreso tra una frazione di litro e molti metri cubi, contiene materiale fissile (combustibile nucleare) in quantità superiore alla massa critica. Il combustibile nucleare (uranio, plutonio) viene solitamente collocato all'interno di elementi combustibili (barre di combustibile), il cui numero nel nucleo può raggiungere decine di migliaia. Le barre di combustibile sono raggruppate in pacchi di diverse decine o centinaia di pezzi. Il nucleo nella maggior parte dei casi è un insieme di barre di combustibile immerse in un mezzo moderatore (moderatore) - una sostanza, a causa di collisioni elastiche con atomi, la cui energia dei neutroni che causano e accompagnano la fissione è ridotta all'energia dell'equilibrio termico con il medio. Tali neutroni “termici” hanno una maggiore capacità di provocare la fissione. L'acqua (inclusa l'acqua pesante, D 2 O) e la grafite vengono solitamente utilizzate come moderatore. Il nocciolo del reattore è circondato da un riflettore realizzato con materiali in grado di diffondere bene i neutroni. Questo strato riporta i neutroni emessi dal nucleo in questa zona, aumentando la velocità della reazione a catena e riducendo la massa critica. Intorno al riflettore è posizionata una schermatura biologica contro le radiazioni in cemento e altri materiali per ridurre la radiazione esterna al reattore a un livello accettabile.
Nel nucleo, la fissione rilascia un'enorme energia sotto forma di calore. Viene rimosso dal nucleo utilizzando gas, acqua o un'altra sostanza (refrigerante), che viene costantemente pompata attraverso il nucleo, lavando le barre di combustibile. Questo calore può essere utilizzato per creare vapore caldo che fa girare la turbina di una centrale elettrica.
Per controllare la velocità della reazione a catena di fissione, vengono utilizzate barre di controllo realizzate con materiali che assorbono fortemente i neutroni. La loro introduzione nel nucleo riduce la velocità della reazione a catena e, se necessario, la arresta completamente, nonostante la massa del combustibile nucleare superi la massa critica. Quando le barre di controllo vengono rimosse dal nucleo, l'assorbimento dei neutroni diminuisce e la reazione a catena può essere portata ad uno stadio di autosostentamento.
Il primo reattore fu lanciato negli Stati Uniti nel 1942. In Europa, il primo reattore fu lanciato nel 1946 in URSS.

Nel 1948, su suggerimento di I.V. Kurchatov, iniziarono i primi lavori sull'uso pratico dell'energia atomica per generare elettricità. La prima centrale nucleare industriale al mondo con una capacità di 5 MW fu lanciata il 27 giugno 1954 nell'URSS, nella città di Obninsk, situata nella regione di Kaluga.

Al di fuori dell'Unione Sovietica, la prima centrale nucleare industriale con una capacità di 46 MW fu messa in funzione nel 1956 a Calder Hall (Gran Bretagna). Un anno dopo entrò in funzione una centrale nucleare da 60 MW a Shippingport (USA).

La più grande flotta mondiale di centrali nucleari appartiene agli Stati Uniti. Sono 104 le centrali in funzione con una capacità totale di circa 100 GW. Forniscono il 20% della produzione elettrica.

La Francia è il leader mondiale nell’uso delle centrali nucleari. Le sue 59 centrali nucleari generano circa l’80% di tutta l’elettricità. Inoltre, la loro capacità totale è inferiore a quella americana: circa 70 GW.

Tra i leader nel numero di reattori nucleari nel mondo ci sono due paesi asiatici: il Giappone e la Corea del Sud.

Nel corso degli anni di sviluppo dell’energia nucleare si sono verificati più volte incidenti gravi, in particolare nella centrale nucleare americana di Three Mile Island, nella centrale nucleare ucraina di Chernobyl e nella centrale nucleare giapponese di Fukushima-1.

Le autorità bielorusse progettano di costruire una centrale nucleare nella regione di Grodno, a diverse decine di chilometri dal confine con la Lituania. La stazione comprenderà due blocchi con una capacità totale di 2,4mila megawatt. Il primo dovrebbe entrare in funzione nel 2016, il secondo nel 2018.

Collegamenti

Reattore nucleare

Reattore nucleare chiamato reattore in cui avviene una reazione a catena di fissione nucleare controllata. Attualmente esistono molti tipi diversi di reattori nucleari di diversa potenza, che differiscono per l'energia dei neutroni utilizzati, il tipo di combustibile nucleare utilizzato, la struttura del nocciolo del reattore, il tipo di moderatore, refrigerante, ecc. Il primo reattore nucleare fu costruito nel dicembre 1942 negli Stati Uniti sotto la guida di E. Fermi. In Europa, il primo reattore nucleare è stato l'impianto F-1. Fu lanciato il 25 dicembre 1946 a Mosca sotto la guida di I.V.

La figura mostra uno schema del funzionamento di una centrale nucleare con un reattore ad acqua pressurizzata a doppio circuito. L'energia rilasciata nel nocciolo del reattore viene trasferita al refrigerante primario. Successivamente, il liquido refrigerante entra nello scambiatore di calore (generatore di vapore), dove riscalda fino all'ebollizione l'acqua del circuito secondario. Il vapore risultante entra nelle turbine che fanno ruotare i generatori elettrici. All'uscita delle turbine, il vapore entra nel condensatore, dove viene raffreddato da una grande quantità di acqua proveniente dal serbatoio.

Reattori a neutroni lenti

I reattori funzionanti con neutroni termici (la loro velocità è 2·10 3 m/s) sono costituiti dalle seguenti parti principali:

UN) materiale fissile, che viene utilizzato come isotopi dell'uranio (\(~^(233)_(92)U\) ,\(~^(235)_(92)U\)), torio (\(~^(232)_ ( 90)Th\)) o plutonio (\(~^(239)_(94)Pu\) , \(~^(240)_(94)Pu\) , \(~^(241)_(94 ) Pu\)); B) moderatore di neutroni, che è grafite, acqua pesante o ordinaria; V) riflettore di neutroni, che di solito vengono utilizzate le stesse sostanze utilizzate per moderare i neutroni; G) refrigerante, progettato per rimuovere il calore dal nocciolo del reattore. Come refrigeranti vengono utilizzati acqua, metalli liquidi e alcuni liquidi organici; D) aste di controllo; e) sistemi di monitoraggio delle radiazioni e di protezione biologica ambiente da flussi di neutroni e γ - radiazioni provenienti dal nocciolo del reattore.

L'uranio è incluso nel combustibile nucleare sotto forma di composti refrattari. Tra questi, particolarmente popolare è il biossido di uranio U2O, che è chimicamente inerte e può resistere a temperature fino a 2800 °C. Con questa ceramica vengono realizzate piccole compresse con un diametro di diversi centimetri. Il combustibile nucleare risultante è confezionato nel cosiddetto elementi di combustibile(elementi combustibili), la struttura di uno dei quali è mostrata in Figura 2. Il guscio di zirconio serve a isolare l'uranio e i prodotti radioattivi della reazione a catena dal contatto chimico con l'ambiente esterno, principalmente con il liquido di raffreddamento. L'elemento combustibile deve condurre bene il calore, trasferendolo dal combustibile nucleare al liquido di raffreddamento.

Riso. 2. Elementi combustibili (barre di combustibile)

Se la reazione produce meno neutroni del necessario, la reazione a catena prima o poi si fermerà. Se vengono prodotti più neutroni del necessario, il numero di nuclei di uranio coinvolti nella reazione di fissione aumenterà in modo esponenziale. Se la velocità di assorbimento dei neutroni non viene aumentata, una reazione controllata può trasformarsi in un'esplosione nucleare.

La velocità di assorbimento dei neutroni può essere modificata utilizzando barre di controllo costituite da cadmio, afnio, boro o altre sostanze (figura 3).

Il calore rilasciato in un reattore nucleare durante la reazione a catena della fissione nucleare viene portato via dal liquido di raffreddamento: acqua sotto una pressione di 10 MPa, a seguito della quale l'acqua si riscalda fino a 270 ° C senza bollire. Successivamente l'acqua entra nello scambiatore di calore, dove cede una parte significativa della sua energia interna all'acqua del circuito secondario e, con l'ausilio di pompe, entra nuovamente nel nocciolo del reattore. L'acqua del circuito secondario nello scambiatore di calore viene convertita in vapore, che entra in una turbina a vapore che aziona un generatore elettrico. Il secondo circuito, come il primo, è chiuso. Dopo la turbina, il vapore entra nel condensatore, dove la serpentina viene raffreddata da acqua corrente fredda. Qui il vapore si trasforma in acqua e, con l'ausilio di pompe, entra nuovamente nello scambiatore di calore. La direzione del movimento dell'acqua nei circuiti è tale che nello scambiatore di calore i flussi d'acqua in entrambi i circuiti si muovono l'uno verso l'altro. Sono necessari anche circuiti separati perché nel circuito primario l'acqua che passa attraverso il nocciolo del reattore diventa radioattiva. Nel secondo circuito vapore e acqua sono praticamente non radioattivi.

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Reattori veloci

Se come combustibile nucleare viene utilizzato l'uranio, in cui il contenuto dell'isotopo \(~^(235)_(92)U\) è significativamente aumentato, il reattore nucleare può funzionare senza l'uso di un moderatore sui neutroni veloci rilasciati durante fissione nucleare. In un tale reattore, più di 1/3 dei neutroni rilasciati durante la reazione a catena possono essere assorbiti dai nuclei dell'isotopo dell'uranio-238, provocando la formazione di nuclei dell'isotopo dell'uranio-239.

I nuclei del nuovo isotopo sono beta radioattivi. Come risultato del decadimento beta, si forma il nucleo del novantatreesimo elemento della tavola periodica: il nettunio. Il nucleo del nettunio, a sua volta, si trasforma attraverso il decadimento beta nel nucleo del novantaquattresimo elemento: il plutonio:

\(~\begin(matrice) & \nearrow \beta^- & \nearrow \beta^- & \\ ^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to & ^(239)_(92)U \to \ & ^(239)_(93)Np \to \ & ^(239)_(94)Pu \end(matrice)\) .

Pertanto, il nucleo dell'isotopo dell'uranio-238, dopo aver assorbito un neutrone, si trasforma spontaneamente nel nucleo dell'isotopo del plutonio \(~^(239)_(94)Pu\).

Il plutonio-239 è molto simile nella sua capacità di interagire con i neutroni all'isotopo dell'uranio-235. Quando un neutrone viene assorbito, il nucleo di plutonio si divide ed emette 3 neutroni che possono supportare lo sviluppo di una reazione a catena. Di conseguenza, un reattore a neutroni veloci non è solo un impianto per effettuare una reazione a catena di fissione dei nuclei dell'isotopo di uranio-235, ma anche allo stesso tempo un impianto per la produzione di nuovo combustibile nucleare, il plutonio-239, dal diffuso e relativamente economico isotopo dell'uranio-238. Per 1 kg di uranio-235 consumato in un reattore a neutroni veloce, si può ottenere più di un chilogrammo di plutonio-239, che a sua volta può essere utilizzato per effettuare una reazione a catena e produrre una nuova porzione di plutonio dall'uranio.

Pertanto, un reattore nucleare a neutroni veloci può fungere contemporaneamente da centrale elettrica e reattore autofertilizzante di combustibile nucleare, il che alla fine consente di utilizzare non solo il raro isotopo dell'uranio-235, ma anche l'isotopo dell'uranio-238, che è 140 volte più abbondanti in natura, per la produzione di energia.

Collegamenti

1. Centrale nucleare con reattori a neutroni veloci (BN 600)
2. La ballata dei neutroni veloci: il reattore unico della centrale nucleare di Beloyarsk

Scopo dei reattori nucleari

In base al loro scopo, i reattori nucleari sono suddivisi nei seguenti tipi:

A) ricerca: con il loro aiuto si ottengono potenti fasci di neutroni per scopi scientifici; b) energia - progettata per produrre energia elettrica su scala industriale; c) teleriscaldamento: ricevono calore per le esigenze dell'industria e del teleriscaldamento; d) fertile - serve per ottenere materiali fissili di plutonio dall'uranio \(~^(238)_(92)U\) e dal torio \(~^(232)_(90)Th\) (94)Pu\) e dall'uranio \(~^(233)_(92)U\); e) trasporti: sono utilizzati nei sistemi di propulsione di navi e sottomarini; f) reattori per la produzione industriale di isotopi di vari elementi chimici con radioattività artificiale.

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Vantaggi delle centrali nucleari

Le centrali nucleari presentano una serie di vantaggi rispetto alle centrali termiche alimentate a combustibili fossili:

• piccolo volume di combustibile utilizzato e possibilità di riutilizzo dopo la lavorazione: 1 kg di uranio naturale sostituisce 20 tonnellate di carbone. Per fare un confronto, la sola Troitskaya GRES, con una capacità di 2000 MW, brucia due treni di carbone al giorno;
• sebbene durante il funzionamento di una centrale nucleare una certa quantità di gas ionizzato venga rilasciata nell'atmosfera, una centrale termica convenzionale, insieme al fumo, rilascia una quantità ancora maggiore di emissioni di radiazioni a causa del contenuto naturale di elementi radioattivi nel carbone;
• Una potenza maggiore può essere ottenuta da un reattore di una centrale nucleare (1000-1600 MW per unità di potenza).

Problemi ecologici

Le moderne centrali nucleari hanno un fattore di efficienza di circa il 30%. Pertanto, per produrre 1000 MW di potenza elettrica, la potenza termica del reattore deve raggiungere i 3000 MW. 2000 MW devono essere portati via dall'acqua che raffredda il condensatore. Ciò porta al surriscaldamento locale dei bacini naturali e alla conseguente comparsa di problemi ambientali. Un compito molto importante è garantire la completa sicurezza dalle radiazioni delle persone che lavorano nelle centrali nucleari e prevenire il rilascio accidentale di sostanze radioattive che si accumulano in grandi quantità nel nocciolo del reattore. Quando si sviluppano reattori nucleari, viene prestata molta attenzione a questo problema. Tuttavia, l’energia nucleare, come molte altre industrie, ha impatti ambientali dannosi e pericolosi. Il pericolo potenziale più grande è la contaminazione radioattiva.

L'esperienza nella gestione delle centrali nucleari in tutto il mondo dimostra che la biosfera è protetta in modo affidabile dall'esposizione alle radiazioni durante il normale funzionamento delle centrali nucleari. Dopo l’incidente della centrale nucleare di Chernobyl (1986), il problema della sicurezza dell’energia nucleare è diventato particolarmente acuto. L'esplosione del quarto reattore della centrale nucleare di Chernobyl ha dimostrato che il rischio di distruzione del nocciolo del reattore a causa di errori del personale e difetti di progettazione rimane una realtà. È necessario adottare le misure più rigorose per ridurre questo rischio.

Problemi complessi sorgono con lo smaltimento dei rifiuti radioattivi e lo smantellamento delle vecchie centrali nucleari. I più famosi tra i prodotti di decadimento sono lo stronzio e il cesio. I blocchi di combustibile nucleare esaurito devono essere raffreddati. Il fatto è che durante il decadimento radioattivo viene rilasciato così tanto calore che i blocchi possono sciogliersi. Inoltre, i blocchi possono emettere nuovi elementi radioattivi. Questi elementi sono utilizzati come fonti di radioattività in medicina, industria e ricerca scientifica. Tutti gli altri rifiuti nucleari devono essere isolati e immagazzinati per molti anni. Solo dopo poche centinaia di anni la radioattività dei rifiuti diminuirà e diventerà paragonabile al fondo naturale. I rifiuti vengono depositati in contenitori speciali, che vengono sepolti in miniere scavate o anfratti rocciosi.

Il dispositivo e il principio di funzionamento si basano sull'inizializzazione e sul controllo di una reazione nucleare autosufficiente. Viene utilizzato come strumento di ricerca, per produrre isotopi radioattivi e come fonte di energia per le centrali nucleari.

principio di funzionamento (brevemente)

Questo utilizza un processo in cui un nucleo pesante si scompone in due frammenti più piccoli. Questi frammenti sono in uno stato altamente eccitato ed emettono neutroni, altre particelle subatomiche e fotoni. I neutroni possono causare nuove fissioni, con conseguente emissione di più neutroni e così via. Una tale serie continua e autosufficiente di scissioni è chiamata reazione a catena. Ciò libera una grande quantità di energia, la cui produzione è lo scopo dell'utilizzo delle centrali nucleari.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare è tale che circa l'85% dell'energia di fissione viene rilasciata entro un periodo di tempo molto breve dall'inizio della reazione. Il resto è prodotto dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione dopo che hanno emesso neutroni. Il decadimento radioattivo è un processo in cui un atomo raggiunge uno stato più stabile. Continua dopo che la divisione è stata completata.

In una bomba atomica, la reazione a catena aumenta di intensità fino alla fissione della maggior parte del materiale. Ciò avviene molto rapidamente, producendo le esplosioni estremamente potenti tipiche di tali bombe. La progettazione e il principio di funzionamento di un reattore nucleare si basano sul mantenimento di una reazione a catena a un livello controllato e quasi costante. È progettato in modo tale da non poter esplodere come una bomba atomica.

Reazione a catena e criticità

La fisica di un reattore a fissione nucleare prevede che la reazione a catena sia determinata dalla probabilità che il nucleo si divida dopo l'emissione di neutroni. Se la popolazione di quest’ultimo diminuisce, il tasso di divisione finirà per scendere a zero. In questo caso, il reattore sarà in uno stato subcritico. Se la popolazione di neutroni viene mantenuta a un livello costante, la velocità di fissione rimarrà stabile. Il reattore sarà in condizioni critiche. Infine, se la popolazione dei neutroni cresce nel tempo, la velocità e la potenza della fissione aumenteranno. Lo stato del nucleo diventerà supercritico.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare è il seguente. Prima del suo lancio, la popolazione di neutroni è prossima allo zero. Gli operatori quindi rimuovono le barre di controllo dal nucleo, aumentando la fissione nucleare, che spinge temporaneamente il reattore in uno stato supercritico. Dopo aver raggiunto la potenza nominale, gli operatori restituiscono parzialmente le aste di controllo, regolando il numero di neutroni. Successivamente il reattore viene mantenuto in una condizione critica. Quando è necessario fermarlo, gli operatori inseriscono le aste fino in fondo. Ciò sopprime la fissione e trasferisce il nucleo in uno stato subcritico.

Tipi di reattori

La maggior parte delle centrali nucleari del mondo sono centrali elettriche, che generano il calore necessario per far girare le turbine che azionano i generatori di energia elettrica. Ci sono anche molti reattori di ricerca e alcuni paesi dispongono di sottomarini o navi di superficie alimentati da energia atomica.

Centrali elettriche

Esistono diversi tipi di reattori di questo tipo, ma il design ad acqua leggera è ampiamente utilizzato. A sua volta, può utilizzare acqua pressurizzata o acqua bollente. Nel primo caso, il liquido ad alta pressione viene riscaldato dal calore del nocciolo ed entra nel generatore di vapore. Lì il calore del circuito primario viene trasferito al circuito secondario, che contiene anche acqua. Il vapore generato alla fine funge da fluido di lavoro nel ciclo della turbina a vapore.

Il reattore ad acqua bollente funziona secondo il principio del ciclo energetico diretto. L'acqua che passa attraverso il nucleo viene portata ad ebollizione a media pressione. Il vapore saturo passa attraverso una serie di separatori ed essiccatori situati nel recipiente del reattore, provocandone il surriscaldamento. Il vapore acqueo surriscaldato viene quindi utilizzato come fluido di lavoro per far girare la turbina.

Raffreddato a gas ad alta temperatura

Un reattore raffreddato a gas ad alta temperatura (HTGR) è un reattore nucleare il cui principio di funzionamento si basa sull'utilizzo di una miscela di grafite e microsfere di combustibile come combustibile. Esistono due modelli concorrenti:

• un sistema di "riempimento" tedesco che utilizza elementi combustibili sferici con un diametro di 60 mm, che sono una miscela di grafite e combustibile in un guscio di grafite;
• la versione americana sotto forma di prismi esagonali di grafite che si incastrano per creare un nucleo.

In entrambi i casi il liquido refrigerante è costituito da elio ad una pressione di circa 100 atmosfere. Nel sistema tedesco, l'elio passa attraverso gli spazi vuoti nello strato di elementi combustibili sferici e nel sistema americano l'elio passa attraverso fori nei prismi di grafite situati lungo l'asse della zona centrale del reattore. Entrambe le opzioni possono funzionare a temperature molto elevate, poiché la grafite ha una temperatura di sublimazione estremamente elevata e l'elio è completamente chimicamente inerte. L’elio caldo può essere applicato direttamente come fluido di lavoro in una turbina a gas ad alta temperatura, oppure il suo calore può essere utilizzato per generare vapore nel ciclo dell’acqua.

Metallo liquido e principio di funzionamento

I reattori veloci raffreddati al sodio hanno ricevuto molta attenzione negli anni '60 e '70. Sembrava allora che le loro capacità di riproduzione sarebbero presto diventate necessarie per produrre combustibile per l’industria nucleare in rapida espansione. Quando negli anni ’80 divenne chiaro che questa aspettativa era irrealistica, l’entusiasmo scemò. Tuttavia, numerosi reattori di questo tipo sono stati costruiti negli Stati Uniti, in Russia, Francia, Gran Bretagna, Giappone e Germania. La maggior parte di essi funziona con biossido di uranio o con la sua miscela con biossido di plutonio. Negli Stati Uniti, invece, i maggiori successi sono stati ottenuti con i combustibili metallici.

CANDU

Il Canada sta concentrando i suoi sforzi sui reattori che utilizzano uranio naturale. Ciò elimina la necessità di ricorrere ai servizi di altri paesi per arricchirlo. Il risultato di questa politica fu il reattore al deuterio-uranio (CANDU). È controllato e raffreddato con acqua pesante. Il principio di progettazione e funzionamento di un reattore nucleare consiste nell'utilizzare un serbatoio di D 2 O freddo a pressione atmosferica. Il nucleo è forato da tubi in lega di zirconio contenenti combustibile naturale di uranio, attraverso i quali circola l'acqua pesante che lo raffredda. L'elettricità viene prodotta trasferendo il calore di fissione presente nell'acqua pesante a un liquido refrigerante che circola attraverso un generatore di vapore. Il vapore nel circuito secondario passa quindi attraverso il normale ciclo della turbina.

Strutture di ricerca

Per la ricerca scientifica, viene spesso utilizzato un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento è l'uso del raffreddamento ad acqua e di elementi combustibili all'uranio a forma di piastra sotto forma di assiemi. In grado di funzionare su un'ampia gamma di livelli di potenza, da diversi kilowatt a centinaia di megawatt. Poiché la generazione di energia non è lo scopo principale dei reattori di ricerca, essi sono caratterizzati dall'energia termica prodotta, dalla densità e dall'energia nominale dei neutroni del nucleo. Sono questi parametri che aiutano a quantificare la capacità di un reattore di ricerca di condurre ricerche specifiche. I sistemi a bassa potenza si trovano tipicamente nelle università e utilizzati per l'insegnamento, mentre i sistemi ad alta potenza sono necessari nei laboratori di ricerca per test sui materiali e sulle prestazioni e per la ricerca generale.

Il più comune è un reattore nucleare di ricerca, la cui struttura e principio di funzionamento è il seguente. Il suo nucleo si trova sul fondo di una grande e profonda pozza d'acqua. Ciò semplifica l'osservazione e il posizionamento dei canali attraverso i quali possono essere diretti i fasci di neutroni. A bassi livelli di potenza non è necessario pompare il liquido refrigerante poiché la convezione naturale del liquido refrigerante fornisce una rimozione del calore sufficiente per mantenere condizioni operative sicure. Lo scambiatore di calore si trova solitamente in superficie o nella parte superiore della piscina dove si accumula l'acqua calda.

Installazioni navali

L'applicazione originale e principale dei reattori nucleari è il loro utilizzo nei sottomarini. Il loro principale vantaggio è che, a differenza dei sistemi di combustione di combustibili fossili, non necessitano di aria per generare elettricità. Pertanto, un sottomarino nucleare può rimanere immerso per lunghi periodi di tempo, mentre un sottomarino diesel-elettrico convenzionale deve periodicamente risalire in superficie per accendere i suoi motori a mezz'aria. dà un vantaggio strategico alle navi da guerra. Grazie ad esso non è necessario fare rifornimento in porti esteri o da navi cisterna facilmente vulnerabili.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare su un sottomarino è classificato. È noto però che negli USA viene utilizzato uranio altamente arricchito, ed è rallentato e raffreddato da acqua leggera. Il progetto del primo reattore sottomarino nucleare, l'USS Nautilus, fu fortemente influenzato da potenti strutture di ricerca. Le sue caratteristiche uniche sono una riserva di reattività molto ampia, che garantisce un lungo periodo di funzionamento senza rifornimento di carburante e la possibilità di ripartire dopo un arresto. La centrale elettrica nei sottomarini deve essere molto silenziosa per evitare di essere rilevata. Per soddisfare le esigenze specifiche delle diverse classi di sottomarini, sono stati creati diversi modelli di centrali elettriche.

Le portaerei della Marina americana utilizzano un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento si ritiene sia stato preso in prestito dai sottomarini più grandi. Anche i dettagli del loro design non sono stati pubblicati.

Oltre agli Stati Uniti, anche Gran Bretagna, Francia, Russia, Cina e India dispongono di sottomarini nucleari. In ogni caso, il design non è stato divulgato, ma si ritiene che siano tutti molto simili: questa è una conseguenza degli stessi requisiti per le loro caratteristiche tecniche. La Russia ha anche una piccola flotta che utilizza gli stessi reattori dei sottomarini sovietici.

Impianti industriali

Per scopi produttivi viene utilizzato un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento è un'elevata produttività con una bassa produzione di energia. Ciò è dovuto al fatto che una lunga permanenza del plutonio nel nucleo porta all'accumulo di 240 Pu indesiderati.

Produzione di trizio

Attualmente, il materiale principale prodotto da tali sistemi è il trizio (3H o T): la carica del plutonio-239 ha una lunga emivita di 24.100 anni, quindi i paesi con arsenali di armi nucleari che utilizzano questo elemento tendono ad averne di più del necessario. A differenza del 239 Pu, il trizio ha un tempo di dimezzamento di circa 12 anni. Pertanto, per mantenere le scorte necessarie, questo isotopo radioattivo dell’idrogeno deve essere prodotto continuamente. Negli Stati Uniti, Savannah River (Carolina del Sud), ad esempio, gestisce diversi reattori ad acqua pesante che producono trizio.

Centrali flottanti

Sono stati creati reattori nucleari in grado di fornire elettricità e riscaldamento a vapore ad aree remote e isolate. In Russia, ad esempio, hanno trovato impiego piccole centrali elettriche appositamente progettate per servire gli insediamenti artici. In Cina, l'HTR-10 da 10 MW fornisce calore ed elettricità all'istituto di ricerca in cui è situato. In Svezia e Canada è in corso lo sviluppo di piccoli reattori controllati automaticamente con capacità simili. Tra il 1960 e il 1972, l’esercito americano utilizzò reattori ad acqua compatti per alimentare basi remote in Groenlandia e Antartide. Sono stati sostituiti da centrali elettriche alimentate a petrolio.

Conquista dello spazio

Inoltre, sono stati sviluppati reattori per l'alimentazione elettrica e il movimento nello spazio. Tra il 1967 e il 1988, l’Unione Sovietica installò piccole unità nucleari sui suoi satelliti della serie Cosmos per alimentare apparecchiature e telemetria, ma la politica divenne oggetto di critiche. Almeno uno di questi satelliti è entrato nell'atmosfera terrestre, provocando contaminazione radioattiva in aree remote del Canada. Gli Stati Uniti hanno lanciato un solo satellite a propulsione nucleare, nel 1965. Tuttavia, continuano a essere sviluppati progetti per il loro utilizzo nei voli spaziali a lunga distanza, nell'esplorazione con equipaggio di altri pianeti o su una base lunare permanente. Si tratterà necessariamente di un reattore nucleare raffreddato a gas o a metallo liquido, i cui principi fisici forniranno la massima temperatura possibile necessaria per ridurre al minimo le dimensioni del radiatore. Inoltre, un reattore per la tecnologia spaziale deve essere il più compatto possibile per ridurre al minimo la quantità di materiale utilizzato per la schermatura e per ridurre il peso durante il lancio e il volo spaziale. La fornitura di carburante garantirà il funzionamento del reattore per l'intero periodo del volo spaziale.