19.7: Атомная энергия

Контролируемые ядерные реакции деления используются для выработки электроэнергии. Любой ядерный реактор, который производит энергию путем деления урана или плутония путем бомбардировки нейтронами, состоит из шести компонентов: Ядерного топлива, состоящего из расщепляющегося материала, ядерного модератора, источника нейтронов, контрольных стержней, охлаждающей жидкости реактора, и систему защиты и сдерживания.

Использования ядерного топлива

Ядерное топливо состоит из расщепляющегося изотопа, такого как уран-235, который должен присутствовать в достаточном количестве для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции. В большинстве реакторов с водой под давлением каждая топливная сборка состоит из топливных стержней, которые содержат много топливных стержней, содержащих обогащенный уран (обычно UO₂) большого размера с керамическим покрытием. Современные ядерные реакторы могут содержать до 10 миллионов топливных гранул.

Уран-235 является полезным топливом, так как он производит в среднем более одного нейтрона на деление, но его естественное изобилие составляет около 0.7 процентов по весу. Большинство энергетических реакторов требуют, чтобы их топливо было обогащено по крайней мере до 3-5% урана-235 по весу.

Ядерных модераторов

Нейтроны, образуемые в результате ядерных реакций, движутся слишком быстро, чтобы обеспечить надежное деление U-235. Сначала их необходимо замедлить, чтобы они поглощали топливо и производили дополнительные ядерные реакции. Модератор ядерного оружия – это вещество, которое замедляет нейтроны до скорости, достаточно низкой для того, чтобы вызвать деление. Ранние реакторы использовали графит высокой чистоты в качестве модератора. Современные реакторы обычно используют в качестве модераторов тяжелую воду или легкую воду.

Поскольку нейтроны имеют размер, аналогичный размеру ядер водорода, когда они ударяют по атомам водорода в молекулах воды, они теряют значительное количество кинетической энергии. Тяжелая вода является лучшим модератором, так как дейтерий уже имеет нейтрон и вряд ли поглотит еще один нейтрон так, как иногда будет водород-1. Такие модераторы, как вода и графит, также работают как нейтронный рефлектор, который сохраняет нейтроны в ядре в равномерном распределении.

Источник нейтронов

Несмотря на спонтанное деление урана-238 и урана-235, процесс непредсказуем, и эти внутренние источники генерируют очень мало нейтронов. Таким образом, реактор требует, чтобы излучатель нейтронов инициировали цепную реакцию деления. В 9 реакторе установлен источник нейтронов типа спаренный с альфа-излучателем типа AMIUM-249 или плутония-239 для производства нейтронов для начала цепной реакции.

Тяги управления

Уровень мощности реактора описывается коэффициентом умножения нейтронов, обозначаемым к. Это соотношение количества нейтронов, производимых делением в поколении, к количеству нейтронов, производимых делением в предыдущем поколении.

Когда k меньше 1, реактор является менее критическим, и выходная мощность энергии снижается; когда k равен 1, реактор имеет критическое значение, а выходная мощность энергии постоянна; а когда k больше 1, реактор является сверхкритическим и мощность энергии увеличивается.

Ядерные реакторы используют стержни управления для контроля скорости деления ядерного топлива путем регулировки количества медленных нейтронов, присутствующих для поддержания скорости цепной реакции на безопасном уровне. Стержни управления изготовлены из бора, кадмия, гафния или других элементов, способных поглощать нейтроны.

Когда узлы управляющих стержней вставляются в топливный элемент в сердечник реактора, они поглощают большую часть медленных нейтронов, тем самым замедляя реакцию деления и уменьшая производную мощность. И наоборот, при снятии стержней управления поглощается меньше нейтронов, а скорость деления и производство энергии увеличиваются. В аварийной ситуации цепную реакцию можно отключить, полностью вставив все управляющие стержни в ядерное ядро между топливными стержнями.

Охлаждающие жидкости реактора

В водном реакторе под давлением охлаждающая жидкость реактора используется для переноса тепла, производимого в результате реакции деления, на внешний бойлер и турбину, где она преобразуется в электричество. Для предотвращения передачи загрязненной охлаждающей жидкости в паровую турбину и башню охлаждения часто используются два теплообмена охлаждающей жидкости. Чаще всего в качестве охлаждающей жидкости используется вода. Другие охлаждающие жидкости в специализированных реакторах включают в себя расплавленный натрий, свинец, смесь с бисмутом или расплавленные соли. Большая гиперболоидная градирня конденсирует пар во вторичном контуре охлаждения и часто находится на некотором расстоянии от фактического реактора.

Система защиты и сдерживания

Водяные реакторы под давлением оснащены системой сдерживания (или щитом), которая обычно состоит из трех частей: I) стальной оболочки толщиной 3–20 сантиметров; Модератор в оболочке поглощает большую часть нейтронного излучения, производимого реактором; (ii) главный экран из бетона высокой плотности высотой 1–3 метров, поглощающего γ-лучи и рентгеновские лучи; (iii) дополнительное экранирование для поглощения падающего излучения в результате экранирующих процессов (i) и (II). Кроме того, реакторы с водой под давлением часто закрыты стальным или бетонным куполом, предназначенным для хранения любых радиоактивных материалов, которые могут быть высвобождены в результате аварии реактора.

Этот текст адаптирован из  Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.4: Трансмутация и ядерная энергия.

При делении ядер выделяется много тепловой энергии, что позволяет вырабатывать электроэнергию с помощью паровой турбины. Ядерное топливо обычно представляет собой делящийся нуклид, такой как уран-235, который производит в среднем более одного нейтрона за одно деление. Быстрые нейтроны, высвобождаемые при делении, должны замедляться замедлителями нейтронов, поскольку тепловые нейтроны наиболее эффективно запускают цепные реакции в делящемся топливе.

Вода является хорошим замедлителем, потому что ядра водорода и нейтроны имеют сравнимые размеры, поэтому нейтроны теряют значительную кинетическую энергию при столкновении. Тяжелая вода еще лучше, так как у дейтерия уже есть нейтрон и вряд ли он примет другой. Замедлители также функционируют как отражатель нейтронов для равномерного распределения нейтронов в активной зоне.

Поскольку самопроизвольное деление урана-235 или 238 непредсказуемо, в реакторе установлен источник нейтронов, чтобы обеспечить контролируемое инициирование цепной реакции. Состояние цепной реакции описывается коэффициентом размножения нейтронов, k:отношением количества нейтронов, образовавшихся при делении в одном поколении, к числу нейтронов, образовавшихся при делении в предыдущем поколении. Когда k меньше 1, реактор является докритическим и выход энергии уменьшается.

Когда k равно 1, реактор находится в критическом состоянии, а выработка энергии стабильна. Когда k больше 1, реактор находится в сверхкритическом состоянии, и выход энергии увеличивается. Цепная реакция контролируется управляющими стержнями, сделанными из материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор или кадмий.

Полностью вставленные регулирующие стержни поглощают большое количество нейтронов, поддерживая подкритичность реактора. Извлечение управляющих стержней позволяет происходить все большему числу делений. Теплоноситель, например вода, отводит тепло от активной зоны реактора, чтобы произвести пар для турбины.

Когда реактор нагревается, нейтроны движутся быстрее и с меньшей вероятностью вызывают деление, что помогает избежать перегрева. Активная зона защищена такими материалами, как вода и толстые слои бетона. Как общая конструкция активной зоны, так и конструкция защитной оболочки зависят от конкретного типа реактора.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.