Die Kernenergieerzeugung ist eine moderne und sich schnell entwickelnde Methode zur Stromerzeugung. Wissen Sie, wie Kernkraftwerke funktionieren? Was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks? Welche Arten von Kernreaktoren gibt es heute? Wir werden versuchen, das Betriebsschema eines Kernkraftwerks im Detail zu betrachten, uns mit der Konstruktion eines Kernreaktors zu befassen und herauszufinden, wie sicher die nukleare Methode zur Stromerzeugung ist.
Jede Station ist ein geschlossener Bereich fernab eines Wohngebiets. Auf seinem Territorium gibt es mehrere Gebäude. Das wichtigste Bauwerk ist das Reaktorgebäude, daneben der Turbinenraum, von dem aus der Reaktor gesteuert wird, und das Sicherheitsgebäude.
Ohne einen Kernreaktor ist das Vorhaben nicht möglich. Ein Atomreaktor (Kernreaktor) ist ein Kernkraftwerksgerät, das eine Kettenreaktion der Neutronenspaltung mit der obligatorischen Freisetzung von Energie während dieses Prozesses organisieren soll. Doch was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks?
Die gesamte Reaktoranlage ist im Reaktorgebäude untergebracht, einem großen Betonturm, der den Reaktor verbirgt und im Falle eines Unfalls alle Produkte enthält Kernreaktion. Dieser große Turm wird Eindämmung, hermetische Hülle oder Eindämmungszone genannt.
Die hermetische Zone in neuen Reaktoren besteht aus zwei dicken Betonwänden – Schalen.
Die 80 cm dicke Außenhülle schützt den Eindämmungsbereich vor äußeren Einflüssen.
Die 1 Meter und 20 cm dicke Innenschale ist mit speziellen Stahlseilen ausgestattet, die die Festigkeit des Betons um fast das Dreifache erhöhen und ein Zerbröckeln der Struktur verhindern. Innen ist es mit einem dünnen Spezialstahlblech ausgekleidet, das als zusätzlicher Schutz für den Sicherheitsbehälter dienen soll und im Falle eines Unfalls verhindern soll, dass der Reaktorinhalt aus dem Sicherheitsbereich austritt.
Diese Konstruktion des Kernkraftwerks ermöglicht es, einem Flugzeugabsturz mit einem Gewicht von bis zu 200 Tonnen, einem Erdbeben der Stärke 8, einem Tornado und einem Tsunami standzuhalten.
Die erste Druckhülle wurde 1968 im amerikanischen Kernkraftwerk Connecticut Yankee gebaut.
Die Gesamthöhe der Eindämmungszone beträgt 50-60 Meter.
Woraus besteht ein Kernreaktor?
Um das Funktionsprinzip eines Kernreaktors und damit das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks zu verstehen, müssen Sie die Komponenten des Reaktors verstehen. 
- Aktive Zone. Dies ist der Bereich, in dem der Kernbrennstoff (Brennstoffgenerator) und der Moderator platziert werden. Brennstoffatome (am häufigsten ist Uran der Brennstoff) unterliegen einer Kettenspaltungsreaktion. Der Moderator soll den Spaltungsprozess steuern und die erforderliche Reaktion in Bezug auf Geschwindigkeit und Stärke ermöglichen.
- Neutronenreflektor. Ein Reflektor umgibt den Kern. Es besteht aus dem gleichen Material wie der Moderator. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine Box, deren Hauptzweck darin besteht, zu verhindern, dass Neutronen den Kern verlassen und in die Umgebung gelangen.
- Kühlmittel. Das Kühlmittel muss die bei der Spaltung der Brennstoffatome freiwerdende Wärme aufnehmen und an andere Stoffe weitergeben. Das Kühlmittel bestimmt maßgeblich die Auslegung eines Kernkraftwerks. Das beliebteste Kühlmittel ist heute Wasser.
Reaktorkontrollsystem. Sensoren und Mechanismen, die einen Kernkraftwerksreaktor antreiben.
Brennstoff für Kernkraftwerke
Womit wird ein Kernkraftwerk betrieben? Brennstoffe für Kernkraftwerke sind chemische Elemente mit radioaktiven Eigenschaften. In allen Kernkraftwerken ist dieses Element Uran.
Das Design der Stationen impliziert, dass Kernkraftwerke mit komplexem Verbundbrennstoff und nicht mit reinem Brennstoff betrieben werden chemisches Element. Und um Uranbrennstoff aus natürlichem Uran zu gewinnen, das in einen Kernreaktor geladen wird, müssen viele Manipulationen durchgeführt werden.
Angereichertes Uran
Uran besteht aus zwei Isotopen, das heißt, es enthält Kerne mit unterschiedlichen Massen. Sie wurden nach der Anzahl der Protonen und Neutronen Isotop -235 und Isotop-238 benannt. Forscher des 20. Jahrhunderts begannen, Uran 235 aus Erzen zu gewinnen, weil... es war einfacher zu zerlegen und zu transformieren. Es stellte sich heraus, dass dieses Uran in der Natur nur 0,7 % ausmacht (der verbleibende Prozentsatz entfällt auf das 238. Isotop). 
Was ist in diesem Fall zu tun? Sie beschlossen, Uran anzureichern. Die Urananreicherung ist ein Prozess, bei dem viele der notwendigen 235x-Isotope darin verbleiben und nur wenige unnötige 238x-Isotope. Die Aufgabe von Urananreicherungsanlagen besteht darin, 0,7 % in nahezu 100 % Uran-235 umzuwandeln.
Uran kann mit zwei Technologien angereichert werden: Gasdiffusion oder Gaszentrifuge. Für ihre Nutzung wird aus Erzen gewonnenes Uran in einen gasförmigen Zustand überführt. Es wird in Form von Gas angereichert.
Uranpulver
Angereichertes Urangas wird in einen festen Zustand umgewandelt – Urandioxid. Dieses reine feste Uran 235 erscheint in Form großer weißer Kristalle, die später zu Uranpulver zerkleinert werden.
Urantabletten
Urantabletten sind massive Metallscheiben mit einer Länge von einigen Zentimetern. Um solche Tabletten aus Uranpulver zu formen, wird es mit einer Substanz vermischt – einem Weichmacher; er verbessert die Qualität der Pressung der Tabletten.
Die gepressten Pucks werden bei einer Temperatur von 1200 Grad Celsius über einen Tag lang gebacken, um den Tabletten besondere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen zu verleihen. Wie ein Kernkraftwerk funktioniert, hängt direkt davon ab, wie gut der Uranbrennstoff komprimiert und gebacken wird. 
Die Tabletten werden in Molybdän-Boxen gebacken, weil Nur dieses Metall kann bei „höllischen“ Temperaturen von über eineinhalbtausend Grad nicht schmelzen. Danach gilt Uran als Brennstoff für Kernkraftwerke bereit.
Was sind TVEL und FA?
Der Reaktorkern sieht aus wie eine riesige Scheibe oder ein Rohr mit Löchern in den Wänden (je nach Reaktortyp), fünfmal größer menschlicher Körper. Diese Löcher enthalten Uranbrennstoff, dessen Atome die gewünschte Reaktion durchführen.
Es ist unmöglich, einfach Treibstoff in den Reaktor zu werfen, es sei denn, man möchte eine Explosion der gesamten Station und einen Unfall mit Folgen für einige umliegende Staaten verursachen. Daher wird Uranbrennstoff in Brennstäbe gefüllt und dann in Brennelementen gesammelt. Was bedeuten diese Abkürzungen?
- TVEL ist ein Brennstoffelement (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen russischen Unternehmen, das es herstellt). Es handelt sich im Wesentlichen um ein dünnes und langes Zirkoniumrohr aus Zirkoniumlegierungen, in das Urantabletten gegeben werden. In Brennstäben beginnen Uranatome miteinander zu interagieren und geben bei der Reaktion Wärme ab.
Zirkonium wurde aufgrund seiner Feuerfestigkeit und Korrosionsschutzeigenschaften als Material für die Herstellung von Brennstäben ausgewählt.
Die Art der Brennstäbe hängt von der Art und Struktur des Reaktors ab. Der Aufbau und Zweck von Brennstäben ändert sich in der Regel nicht; Länge und Breite des Rohres können unterschiedlich sein. 
Die Maschine lädt mehr als 200 Uranpellets in ein Zirkoniumrohr. Insgesamt arbeiten etwa 10 Millionen Uranpellets gleichzeitig im Reaktor.
FA – Brennelement. Kernkraftwerksarbeiter nennen Brennelemente Bündel.
Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um mehrere miteinander verbundene Brennstäbe. FA ist fertiger Kernbrennstoff, mit dem ein Kernkraftwerk betrieben wird. Es sind die Brennelemente, die in den Kernreaktor geladen werden. In einem Reaktor sind etwa 150 – 400 Brennelemente untergebracht.
Abhängig vom Reaktor, in dem die Brennelemente betrieben werden, kann dies der Fall sein verschiedene Formen. Manchmal sind die Bündel kubisch, manchmal zylindrisch und manchmal sechseckig gefaltet.
Ein Brennelement erzeugt bei 4 Betriebsjahren die gleiche Energiemenge wie bei der Verbrennung von 670 Kohlewagen, 730 Erdgastanks oder 900 Öltanks.
Heute werden Brennelemente hauptsächlich in Fabriken in Russland, Frankreich, den USA und Japan hergestellt.
Um Brennstoffe für Kernkraftwerke in andere Länder zu liefern, werden Brennelemente lang und breit versiegelt Metallrohre Dabei wird die Luft aus den Rohren abgepumpt und von speziellen Maschinen an Bord von Frachtflugzeugen gefördert.
Kernbrennstoff für Kernkraftwerke wiegt unerschwinglich viel, weil... Uran ist eines der am meisten Schwermetalle auf dem Planeten. Sein spezifisches Gewicht 2,5-mal mehr als Stahl.
Kernkraftwerk: Funktionsprinzip
Was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks? Das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken basiert auf Kettenreaktion Spaltung von Atomen einer radioaktiven Substanz - Uran. Diese Reaktion findet im Kern eines Kernreaktors statt.
WICHTIG ZU WISSEN:
Ohne auf die Feinheiten der Kernphysik einzugehen, sieht das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks folgendermaßen aus:
Nach der Inbetriebnahme eines Kernreaktors werden von den Brennstäben Absorberstäbe entfernt, die die Reaktion des Urans verhindern.
Sobald die Stäbe entfernt werden, beginnen die Uran-Neutronen miteinander zu interagieren.
Wenn Neutronen kollidieren, kommt es auf atomarer Ebene zu einer Miniexplosion, Energie wird freigesetzt und neue Neutronen entstehen, eine Kettenreaktion beginnt. Bei diesem Vorgang entsteht Wärme.
Wärme wird an das Kühlmittel übertragen. Je nach Art des Kühlmittels wird daraus Dampf oder Gas, das die Turbine in Rotation versetzt.
Die Turbine treibt einen elektrischen Generator an. Er ist es, der tatsächlich den elektrischen Strom erzeugt.
Wenn Sie den Prozess nicht überwachen, können Uranneutronen miteinander kollidieren, bis der Reaktor explodiert und das gesamte Kernkraftwerk in Stücke gerissen wird. Der Prozess wird durch Computersensoren gesteuert. Sie erkennen einen Temperaturanstieg oder eine Druckänderung im Reaktor und können Reaktionen automatisch stoppen.
Wie unterscheidet sich das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken von thermischen Kraftwerken (Wärmekraftwerken)?
Unterschiede in der Arbeit gibt es nur in den ersten Phasen. In einem Kernkraftwerk erhält das Kühlmittel Wärme aus der Spaltung von Uranbrennstoffatomen; in einem Wärmekraftwerk erhält das Kühlmittel Wärme aus der Verbrennung organischer Brennstoffe (Kohle, Gas oder Öl). Nachdem entweder Uranatome oder Gas und Kohle Wärme freigesetzt haben, sind die Betriebsschemata von Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken die gleichen.
Arten von Kernreaktoren
Wie ein Kernkraftwerk funktioniert, hängt davon ab, wie genau sein Kernreaktor arbeitet. Heutzutage gibt es zwei Haupttypen von Reaktoren, die nach dem Spektrum der Neuronen klassifiziert werden:
Ein langsamer Neutronenreaktor, auch thermischer Reaktor genannt.
Für seinen Betrieb wird Uran 235 verwendet, das die Stufen der Anreicherung, Herstellung von Uranpellets usw. durchläuft. Heutzutage verwendet die überwiegende Mehrheit der Reaktoren langsame Neutronen.
Reaktor für schnelle Neutronen.
Diesen Reaktoren gehört die Zukunft, denn... Sie arbeiten mit Uran-238, das in der Natur ein Dutzend gibt und eine Anreicherung dieses Elements nicht erforderlich ist. Der einzige Nachteil solcher Reaktoren sind die sehr hohen Kosten für Planung, Bau und Inbetriebnahme. Heute sind schnelle Neutronenreaktoren nur noch in Russland in Betrieb.
Das Kühlmittel in schnellen Neutronenreaktoren ist Quecksilber, Gas, Natrium oder Blei. 
Auch langsame Neutronenreaktoren, die heute in allen Kernkraftwerken der Welt zum Einsatz kommen, gibt es in verschiedenen Ausführungen.
Die IAEA-Organisation (Internationale Atomenergiebehörde) hat eine eigene Klassifizierung erstellt, die in der weltweiten Kernenergieindustrie am häufigsten verwendet wird. Da das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks maßgeblich von der Wahl des Kühlmittels und Moderators abhängt, hat die IAEA ihre Klassifizierung auf diese Unterschiede gestützt.
Aus chemischer Sicht ist Deuteriumoxid ein idealer Moderator und Kühlmittel, denn Seine Atome interagieren im Vergleich zu anderen Substanzen am effektivsten mit Uran-Neutronen. Einfach ausgedrückt erfüllt schweres Wasser seine Aufgabe mit minimalen Verlusten und maximalen Ergebnissen. Die Herstellung kostet jedoch Geld, während gewöhnliches „leichtes“ und bekanntes Wasser viel einfacher zu verwenden ist.
Ein paar Fakten über Kernreaktoren...
Es ist interessant, dass der Bau eines Kernkraftwerkreaktors mindestens drei Jahre dauert!
Um einen Reaktor zu bauen, braucht man Ausrüstung, die weiterläuft elektrischer Strom bei 210 Kiloampere, was eine Million Mal größer ist als der Strom, der einen Menschen töten kann.
Eine Hülle (Strukturelement) eines Kernreaktors wiegt 150 Tonnen. In einem Reaktor befinden sich 6 solcher Elemente.
Druckwasserreaktor
Wir haben bereits herausgefunden, wie ein Kernkraftwerk im Allgemeinen funktioniert; um alles ins rechte Licht zu rücken, schauen wir uns an, wie der beliebteste Druckwasser-Kernreaktor funktioniert.
Überall auf der Welt werden heute Druckwasserreaktoren der Generation 3+ eingesetzt. Sie gelten als die zuverlässigsten und sichersten.
Alle Druckwasserreaktoren der Welt haben im Laufe ihrer Betriebsjahre bereits mehr als 1000 Jahre störungsfreien Betrieb hinter sich und nie gravierende Abweichungen festgestellt. 
Der Aufbau von Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktoren impliziert, dass auf 320 Grad erhitztes destilliertes Wasser zwischen den Brennstäben zirkuliert. Um zu verhindern, dass es in den Dampfzustand übergeht, wird es unter einem Druck von 160 Atmosphären gehalten. Im Diagramm des Kernkraftwerks wird es als Primärkreislaufwasser bezeichnet.
Das erhitzte Wasser gelangt in den Dampferzeuger und gibt seine Wärme an das Sekundärkreislaufwasser ab, um anschließend wieder in den Reaktor „zurückzukehren“. Äußerlich sieht es so aus, als stünden die Wasserrohre des ersten Kreislaufs in Kontakt mit anderen Rohren – das Wasser des zweiten Kreislaufs, sie übertragen Wärme aufeinander, aber das Wasser kommt nicht in Kontakt. Die Rohre stehen in Kontakt.
Somit ist die Möglichkeit ausgeschlossen, dass Strahlung in das Wasser des Sekundärkreislaufs gelangt, das weiter an der Stromerzeugung beteiligt ist.
Betriebssicherheit des Kernkraftwerks
Nachdem wir das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken kennengelernt haben, müssen wir verstehen, wie Sicherheit funktioniert. Der Bau von Kernkraftwerken erfordert heute eine erhöhte Beachtung der Sicherheitsvorschriften.
Die Sicherheitskosten für Kernkraftwerke machen etwa 40 % der Gesamtkosten der Anlage selbst aus. 
Das Design des Kernkraftwerks umfasst vier physische Barrieren, die die Freisetzung radioaktiver Substanzen verhindern. Was sollen diese Barrieren bewirken? Im richtigen Moment können Sie die Kernreaktion stoppen, eine konstante Wärmeabfuhr aus dem Kern und dem Reaktor selbst gewährleisten und die Freisetzung von Radionukliden außerhalb des Sicherheitsbehälters (hermetische Zone) verhindern.
- Die erste Hürde ist die Festigkeit von Uranpellets. Es ist wichtig, dass sie durch die Einwirkung nicht zerstört werden hohe Temperaturen in einem Kernreaktor. Die Funktionsweise eines Kernkraftwerks hängt in vielerlei Hinsicht davon ab, wie die Urantabletten „gebacken“ werden Anfangsstadium Herstellung. Wenn die Uranbrennstoffpellets nicht richtig gebacken werden, sind die Reaktionen der Uranatome im Reaktor unvorhersehbar.
- Das zweite Hindernis ist die Dichtheit der Brennstäbe. Zirkoniumrohre müssen dicht verschlossen sein; wird die Versiegelung gebrochen, wird im besten Fall der Reaktor beschädigt und die Arbeit eingestellt, im schlimmsten Fall fliegt alles in die Luft.
- Die dritte Barriere ist ein robuster Reaktorbehälter aus Stahl a, (derselbe große Turm – hermetische Zone), der alle radioaktiven Prozesse „enthält“. Bei Beschädigung des Gehäuses gelangt Strahlung in die Atmosphäre.
- Die vierte Barriere sind Notschutzstangen.Über dem Kern sind an Magneten Stäbe mit Moderatoren aufgehängt, die alle Neutronen in 2 Sekunden absorbieren und die Kettenreaktion stoppen können.
Wenn es trotz der Auslegung eines Kernkraftwerks mit vielen Schutzgraden nicht gelingt, den Reaktorkern rechtzeitig abzukühlen und die Brennstofftemperatur auf 2600 Grad ansteigt, dann kommt die letzte Hoffnung des Sicherheitssystems ins Spiel - die sogenannte Schmelzfalle.
Tatsache ist, dass bei dieser Temperatur der Boden des Reaktorbehälters schmilzt und alle Reste von Kernbrennstoff und geschmolzenen Strukturen in ein spezielles „Glas“ fließen, das über dem Reaktorkern hängt.
Die Schmelzfalle ist gekühlt und feuerfest. Es ist mit sogenanntem „Opfermaterial“ gefüllt, das die Spaltkettenreaktion nach und nach stoppt.
Daher beinhaltet die Auslegung des Kernkraftwerks mehrere Schutzgrade, die die Möglichkeit eines Unfalls nahezu vollständig ausschließen.
Der Kernreaktor arbeitet reibungslos und effizient. Ansonsten wird es, wie Sie wissen, Ärger geben. Aber was ist drinnen los? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kernreaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.
Im Wesentlichen läuft dort der gleiche Prozess ab wie bei einer nuklearen Explosion. Nur die Explosion geschieht sehr schnell, aber im Reaktor zieht sich das alles über einen langen Zeitraum hin. Dadurch bleibt alles sicher und wir erhalten Energie. Nicht so sehr, dass alles in der Umgebung auf einmal zerstört würde, aber völlig ausreichend, um die Stadt mit Strom zu versorgen.
Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion abläuft, müssen Sie wissen, was es ist. Kernreaktion überhaupt.
Kernreaktion ist ein Prozess der Transformation (Teilung) Atomkerne wenn sie mit Elementarteilchen und Gammastrahlen interagieren.
Kernreaktionen können sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten. Der Reaktor nutzt die zweiten Reaktionen.
Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck darin besteht, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.
Oftmals wird ein Kernreaktor auch als Atomreaktor bezeichnet. Beachten wir, dass es hier keinen grundsätzlichen Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es korrekter, das Wort „nuklear“ zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Hierbei handelt es sich um riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Kernreaktoren von U-Booten und kleine Versuchsreaktoren für wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Meerwasserentsalzung.
Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors
Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 in Betrieb genommen. Dies geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde „Chicago Woodpile“ genannt.
1946 nahm der erste sowjetische Reaktor, der unter der Führung Kurtschatows in Betrieb genommen wurde, seinen Betrieb auf. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Der sowjetische Reaktor hatte übrigens eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt und der amerikanische nur 1 Watt. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren beträgt 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach der Inbetriebnahme des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.
Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors
Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: Kern Mit Kraftstoff Und Moderator , Neutronenreflektor , Kühlmittel , Kontroll- und Schutzsystem . Isotope werden am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendet. Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232). Der Kern ist ein Kessel, durch den normales Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit seltener verwendet. Wenn wir über den Betrieb von Kernkraftwerken sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung selbst erfolgt auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen: Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in umgewandelt elektrische Energie.
Unten finden Sie ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.
Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und mehrere Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. Gleichzeitig wächst die Zahl der Neutronen lawinenartig.
Es sollte hier erwähnt werden Neutronenmultiplikationsfaktor . Wenn dieser Koeffizient also einen Wert gleich eins überschreitet, Atomexplosion. Ist der Wert kleiner als eins, sind zu wenig Neutronen vorhanden und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.
Die Frage ist, wie macht man das? Im Reaktor befindet sich der Brennstoff im sogenannten Brennelemente (TVELach). Dabei handelt es sich um Stäbchen, die in Form kleiner Tabletten enthalten: Kernbrennstoff . Brennstäbe sind in sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es in einem Reaktor Hunderte geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet und jeder Brennstab verfügt über ein System, mit dem Sie die Eintauchtiefe in den Kern regulieren können. Dazu gehören neben den Kassetten selbst auch Steuerstangen Und Notfallschutzstangen . Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. Dadurch können Steuerstäbe unterschiedlich tief in den Kern abgesenkt und so der Neutronenvervielfachungsfaktor angepasst werden. Notstangen dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.
Wie wird ein Kernreaktor gestartet?
Wir haben das Funktionsprinzip selbst herausgefunden, aber wie startet man den Reaktor und bringt ihn zum Laufen? Grob gesagt ist es hier - ein Stück Uran, aber die Kettenreaktion beginnt darin nicht von alleine. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik ein Konzept gibt kritische Masse .
Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine nukleare Kettenreaktion auszulösen.
Mit Hilfe von Brennstäben und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen zum Leben erweckt optimales Niveau Leistung.
In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder ein Problem in der Kernphysik an der Universität gestellt wurde, wenden Sie sich bitte an an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wie gewohnt sind wir bereit, Ihnen bei der Lösung dringender Fragen rund um Ihr Studium behilflich zu sein. Und wenn wir schon dabei sind, hier ist ein weiteres Lehrvideo für Ihre Aufmerksamkeit!
I. Entwurf eines Kernreaktors
Ein Kernreaktor besteht aus den folgenden fünf Hauptelementen:
1) Kernbrennstoff;
2) Neutronenmoderator;
3) Regulierungssysteme;
4) Kühlsysteme;
5) Schutzschirm.
1. Kernbrennstoff.
Kernbrennstoff ist eine Energiequelle. Derzeit sind drei Arten von spaltbarem Material bekannt:
a) Uran 235, das 0,7 % oder 1/140 des natürlichen Urans ausmacht;
6) Plutonium 239, das in einigen Reaktoren auf Basis von Uran 238 entsteht, das fast die gesamte Masse des natürlichen Urans ausmacht (99,3 % oder 139/140 Teile).
Durch das Einfangen von Neutronen verwandeln sich Uran-238-Kerne in Neptunium-Kerne – das 93. Element Periodensystem Mendelejew; Letztere wiederum verwandeln sich in Plutoniumkerne – das 94. Element des Periodensystems. Plutonium lässt sich leicht auf chemischem Wege aus bestrahltem Uran gewinnen und kann als Kernbrennstoff verwendet werden;
c) Uran 233, ein künstliches Uranisotop, das aus Thorium gewonnen wird.
Im Gegensatz zu Uran 235, das in natürlichem Uran vorkommt, werden Plutonium 239 und Uran 233 nur künstlich gewonnen. Daher werden sie sekundärer Kernbrennstoff genannt; Die Quelle dieses Brennstoffs ist Uran 238 und Thorium 232.
Somit ist Uran unter allen oben aufgeführten Arten von Kernbrennstoffen der wichtigste. Dies erklärt den enormen Umfang, den die Suche und Exploration von Uranvorkommen in allen Ländern einnimmt.
Die in einem Kernreaktor freigesetzte Energie wird manchmal mit der dabei freigesetzten verglichen chemische Reaktion Verbrennung. Es gibt jedoch einen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen.
Die bei der Spaltung von Uran entstehende Wärmemenge ist unmessbar größer als die bei der Verbrennung beispielsweise von Kohle entstehende Wärmemenge: 1 kg Uran 235, das Volumen einer Zigarettenschachtel, könnte theoretisch so viel Energie liefern wie 2600 Tonnen Kohle.
Allerdings werden diese Energiemöglichkeiten nicht vollständig genutzt, da nicht das gesamte Uran-235 vom Natururan abgetrennt werden kann. Somit entspricht 1 kg Uran je nach Anreicherungsgrad mit Uran 235 derzeit etwa 10 Tonnen Kohle. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Verwendung von Kernbrennstoff den Transport erleichtert und daher die Brennstoffkosten erheblich senkt. Britische Experten haben berechnet, dass sie durch die Anreicherung von Uran die in den Reaktoren erzeugte Wärme um das Zehnfache steigern können, was 1 Tonne Uran 100.000 Tonnen Kohle entsprechen würde.
Der zweite Unterschied zwischen dem Prozess der Kernspaltung, der unter Freisetzung von Wärme abläuft, und der chemischen Verbrennung besteht darin, dass für die Verbrennungsreaktion Sauerstoff benötigt wird, während zur Auslösung einer Kettenreaktion nur wenige Neutronen und eine bestimmte Masse an Kernbrennstoff erforderlich sind zur kritischen Masse, die wir bereits im Abschnitt über die Atombombe definieren.
Und schließlich geht der unsichtbare Prozess der Kernspaltung mit der Emission äußerst schädlicher Strahlung einher, vor der Schutz geboten werden muss.
2. Neutronenmoderator.
Um die Ausbreitung von Spaltprodukten im Reaktor zu vermeiden, muss Kernbrennstoff in spezielle Hüllen gegeben werden. Für die Herstellung solcher Schalen kann Aluminium (die Kühlmitteltemperatur sollte 200°C nicht überschreiten) oder noch besser Beryllium oder Zirkonium verwendet werden – neue Metalle, die in gewonnen werden können reine Form ist mit großen Schwierigkeiten verbunden.
Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen (durchschnittlich 2–3 Neutronen bei der Spaltung eines Kerns eines schweren Elements) haben eine bestimmte Energie. Damit die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen andere Kerne spalten, am größten ist, ohne die die Reaktion nicht selbsterhaltend ist, ist es notwendig, dass diese Neutronen einen Teil ihrer Geschwindigkeit verlieren. Dies wird durch die Platzierung eines Moderators im Reaktor erreicht, in dem durch zahlreiche aufeinanderfolgende Kollisionen schnelle Neutronen in langsame umgewandelt werden. Da der als Moderator verwendete Stoff Kerne mit einer Masse haben muss, die etwa der Masse von Neutronen entspricht, also die Kerne leichter Elemente, wurde von Anfang an schweres Wasser als Moderator verwendet (D 2 0, wobei D Deuterium ist). , ersetzt leichten Wasserstoff in gewöhnlichem Wasser N 2 0). Mittlerweile wird jedoch immer häufiger versucht, Graphit zu verwenden – das ist billiger und hat fast den gleichen Effekt.
Eine in Schweden gekaufte Tonne schweres Wasser kostet 70–80 Millionen Franken. Auf der Genfer Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie kündigten die Amerikaner an, dass sie schweres Wasser bald zu einem Preis von 22 Millionen Franken pro Tonne verkaufen könnten.
Eine Tonne Graphit kostet 400.000 Franken, eine Tonne Berylliumoxid 20 Millionen Franken.
Die als Moderator verwendete Substanz muss rein sein, um den Verlust von Neutronen beim Durchgang durch den Moderator zu vermeiden. Am Ende ihres Laufs haben die Neutronen dies getan Durchschnittsgeschwindigkeit etwa 2200 m/s, während ihre Anfangsgeschwindigkeit etwa 20.000 km/s betrug. In Reaktoren erfolgt die Wärmefreisetzung im Gegensatz dazu allmählich und kann kontrolliert werden Atombombe, wo es augenblicklich eintritt und den Charakter einer Explosion annimmt.
Einige Arten schneller Reaktoren benötigen keinen Moderator.
3. Regulierungssystem.
Eine Person sollte in der Lage sein, eine Kernreaktion nach Belieben auszulösen, zu regulieren und zu stoppen. Dies wird durch Steuerstäbe aus Borstahl oder Cadmium erreicht – Materialien, die die Fähigkeit besitzen, Neutronen zu absorbieren. Je nachdem, wie tief die Steuerstäbe in den Reaktor abgesenkt werden, nimmt die Anzahl der Neutronen im Kern zu oder ab, was letztendlich eine Regulierung des Prozesses ermöglicht. Die Steuerung der Steuerstangen erfolgt automatisch über Servomechanismen; Einige dieser Stäbe können bei Gefahr sofort in den Kern fallen.
Zunächst gab es Bedenken, dass eine Reaktorexplosion den gleichen Schaden anrichten würde wie eine Atombombe. Um zu beweisen, dass eine Reaktorexplosion nur unter anderen als den normalen Bedingungen auftritt und keine ernsthafte Gefahr für die in der Nähe des Kernkraftwerks lebende Bevölkerung darstellt, haben die Amerikaner absichtlich einen sogenannten „kochenden“ Reaktor in die Luft gesprengt. Tatsächlich gab es eine Explosion, die wir als „klassisch“, also nicht nuklear, bezeichnen können; Dies beweist einmal mehr, dass Kernreaktoren in der Nähe gebaut werden können Siedlungen ohne besondere Gefahr für letztere.
4. Kühlsystem.
Bei der Kernspaltung wird eine bestimmte Energie freigesetzt, die auf die Zerfallsprodukte und die entstehenden Neutronen übertragen wird. Diese Energie wird durch zahlreiche Kollisionen von Neutronen in Wärmeenergie umgewandelt. Um einen schnellen Ausfall des Reaktors zu verhindern, muss daher Wärme abgeführt werden. In Reaktoren zur Erzeugung radioaktiver Isotope wird diese Wärme nicht genutzt, in Reaktoren zur Energieerzeugung wird sie im Gegenteil zum Hauptprodukt. Die Kühlung kann mit Gas oder Wasser erfolgen, das unter Druck durch spezielle Rohre im Reaktor zirkuliert und anschließend in einem Wärmetauscher abgekühlt wird. Die freigesetzte Wärme kann zum Erhitzen des Dampfes verwendet werden, der eine mit dem Generator verbundene Turbine dreht. Ein solches Gerät wäre ein Kernkraftwerk.
5. Schutzscheibe.
Um zu vermeiden schädliche Wirkungen Neutronen, die außerhalb des Reaktors fliegen können und sich vor der während der Reaktion emittierten Gammastrahlung schützen, sind erforderlich zuverlässiger Schutz. Wissenschaftler haben berechnet, dass ein Reaktor mit einer Leistung von 100.000 kW eine solche Menge radioaktiver Strahlung aussendet, dass eine Person, die sich in einer Entfernung von 100 m davon befindet, diese in 2 Minuten empfangen würde. tödliche Dosis. Um den Schutz des Reaktorpersonals zu gewährleisten, werden zwei Meter hohe Wände aus Spezialbeton mit Bleiplatten errichtet.
Der erste Reaktor wurde im Dezember 1942 von der italienischen Firma Fermi gebaut. Ende 1955 gab es weltweit etwa 50 Kernreaktoren (USA – 2 1, England – 4, Kanada – 2, Frankreich – 2). Es sollte hinzugefügt werden, dass bis Anfang 1956 etwa 50 weitere Reaktoren für Forschungs- und Industriezwecke konzipiert wurden (USA – 23, Frankreich – 4, England – 3, Kanada – 1).
Die Typen dieser Reaktoren sind sehr vielfältig und reichen von langsamen Neutronenreaktoren mit Graphitmoderatoren und natürlichem Uran als Brennstoff bis hin zu schnellen Neutronenreaktoren, die mit Plutonium angereichertes Uran oder künstlich aus Thorium hergestelltes Uran 233 als Brennstoff verwenden.
Zusätzlich zu diesen beiden gegensätzlichen Typen gibt es auch noch eine ganze Serie Reaktoren, die sich entweder in der Zusammensetzung des Kernbrennstoffs, in der Art des Moderators oder im Kühlmittel unterscheiden.
Es ist sehr wichtig anzumerken, dass die theoretische Seite des Themas zwar derzeit von Fachleuten in allen Ländern gut untersucht wird, die verschiedenen Länder jedoch im praktischen Bereich noch nicht das gleiche Niveau erreicht haben. Die USA und Russland liegen vor anderen Ländern. Man kann argumentieren, dass die Zukunft der Kernenergie hauptsächlich vom Fortschritt der Technologie abhängen wird.
Aus dem Buch Erstaunliche Welt im Inneren des Atomkerns [Vorlesung für Schüler] Autor Iwanow Igor PierowitschDer Aufbau des LHC-Colliders Nun ein paar Bilder. Ein Collider ist ein Beschleuniger kollidierender Teilchen. Dort beschleunigen Teilchen entlang zweier Ringe und kollidieren miteinander. Dies ist die größte Versuchsanlage der Welt, denn die Länge dieses Ringes – des Tunnels –
Aus dem Buch Neuestes Buch Fakten. Band 3 [Physik, Chemie und Technik. Geschichte und Archäologie. Verschiedenes] Autor Kondraschow Anatoli Pawlowitsch Aus dem Buch Das Atomproblem von Ran Philip Aus Buch 5b. Elektrizität und Magnetismus Autor Feynman Richard Phillips Aus dem Buch des AutorsKapitel VIII Funktionsprinzip und Fähigkeiten eines Kernreaktors Ein Kernreaktor besteht aus den folgenden fünf Hauptelementen: 1) Kernbrennstoff 3) Kontrollsystem; ) schützend
Aus dem Buch des AutorsKapitel 11 INTERNE STRUKTUR VON DIELEKTRIK §1. Molekulare Dipole§2. Elektronische Polarisation §3. Polare Moleküle; Orientierungspolarisation§4. Elektrische Felder in dielektrischen Hohlräumen§5. Permittivität Flüssigkeiten; Clausius-Mossotti-Formel§6.
Der Kernreaktor arbeitet reibungslos und effizient. Ansonsten wird es, wie Sie wissen, Ärger geben. Aber was ist drinnen los? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kernreaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.
Im Wesentlichen läuft dort der gleiche Prozess ab wie bei einer nuklearen Explosion. Nur die Explosion geschieht sehr schnell, aber im Reaktor zieht sich das alles über einen langen Zeitraum hin. Dadurch bleibt alles sicher und wir erhalten Energie. Nicht so sehr, dass alles in der Umgebung auf einmal zerstört würde, aber völlig ausreichend, um die Stadt mit Strom zu versorgen.
Wie funktioniert ein Reaktor? Kühltürme eines Kernkraftwerks
Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion abläuft, müssen Sie wissen, was eine Kernreaktion im Allgemeinen ist.
Eine Kernreaktion ist der Prozess der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen bei der Wechselwirkung mit Elementarteilchen und Gammastrahlen.
Kernreaktionen können sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten. Der Reaktor nutzt die zweiten Reaktionen.
Ein Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck darin besteht, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.
Oftmals wird ein Kernreaktor auch als Atomreaktor bezeichnet. Beachten wir, dass es hier keinen grundsätzlichen Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es korrekter, das Wort „nuklear“ zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Hierbei handelt es sich um riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Kernreaktoren von U-Booten und kleine Versuchsreaktoren für wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Meerwasserentsalzung.
Geschichte der Schöpfung Kernreaktor
Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 in Betrieb genommen. Dies geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde Chicago Woodpile genannt.
1946 nahm der erste sowjetische Reaktor, der unter der Führung Kurtschatows in Betrieb genommen wurde, seinen Betrieb auf. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Der sowjetische Reaktor hatte übrigens eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt und der amerikanische nur 1 Watt. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren beträgt 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach der Inbetriebnahme des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.
Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors
Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: einem Kern mit Brennstoff und Moderator, einem Neutronenreflektor, einem Kühlmittel, einem Kontroll- und Schutzsystem. Die am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendeten Isotope sind Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232). Der Kern ist ein Kessel, durch den normales Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit seltener verwendet. Wenn wir über den Betrieb von Kernkraftwerken sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung selbst erfolgt auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen: Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Unten finden Sie ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.
Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors Diagramm eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk
Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und mehrere Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. Gleichzeitig wächst die Zahl der Neutronen lawinenartig.
Hier müssen wir den Neutronenmultiplikationsfaktor erwähnen. Wenn dieser Koeffizient also einen Wert gleich eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, sind zu wenig Neutronen vorhanden und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.
Die Frage ist, wie macht man das? Im Reaktor ist der Brennstoff in sogenannten Brennelementen (Brennelementen) enthalten. Dabei handelt es sich um Stäbe, die Kernbrennstoff in Form kleiner Tabletten enthalten. Brennstäbe sind in sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es in einem Reaktor Hunderte geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet und jeder Brennstab verfügt über ein System, mit dem Sie die Eintauchtiefe in den Kern regulieren können. Neben den Kassetten selbst gehören dazu Steuerstangen und Notschutzstangen. Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. Dadurch können Steuerstäbe unterschiedlich tief in den Kern abgesenkt und so der Neutronenvervielfachungsfaktor angepasst werden. Notstangen dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.
Wie wird ein Kernreaktor gestartet?
Wir haben das Funktionsprinzip selbst herausgefunden, aber wie startet man den Reaktor und bringt ihn zum Laufen? Grob gesagt ist es hier - ein Stück Uran, aber die Kettenreaktion beginnt darin nicht von alleine. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik ein Konzept der kritischen Masse gibt.
KernbrennstoffKernbrennstoff
Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine nukleare Kettenreaktion auszulösen.
Mit Hilfe von Brennstäben und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen auf das optimale Leistungsniveau gebracht.
Ihnen wird gefallen: Mathematische Tricks für Geisteswissenschaftler und nicht so sehr (Teil 1)
In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder ein Problem in der Kernphysik an der Universität gestellt wurde, wenden Sie sich bitte an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wie gewohnt sind wir bereit, Ihnen bei der Lösung dringender Fragen rund um Ihr Studium behilflich zu sein. Und wenn wir schon dabei sind, hier ist ein weiteres Lehrvideo für Ihre Aufmerksamkeit!
blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/
Zurück Vorwärts
Aufmerksamkeit! Folienvorschauen dienen nur zu Informationszwecken und stellen möglicherweise nicht alle Funktionen der Präsentation dar. Wenn Sie an dieser Arbeit interessiert sind, laden Sie bitte die Vollversion herunter.
Unterrichtsziele:
- Pädagogisch: Aktualisierung vorhandener Kenntnisse; Fortsetzung der Konzeptbildung: Spaltung von Urankernen, nukleare Kettenreaktion, Bedingungen für ihr Auftreten, kritische Masse; Einführung neuer Konzepte: Kernreaktor, Hauptelemente eines Kernreaktors, Aufbau eines Kernreaktors und Funktionsprinzip, Steuerung einer Kernreaktion, Klassifizierung von Kernreaktoren und deren Verwendung;
- Pädagogisch: die Fähigkeiten zum Beobachten und Ziehen von Schlussfolgerungen weiterzuentwickeln sowie die intellektuellen Fähigkeiten und die Neugier der Schüler zu entwickeln;
- Pädagogisch: eine Haltung gegenüber der Physik als experimenteller Wissenschaft weiter entwickeln; eine gewissenhafte Einstellung zur Arbeit, Disziplin und eine positive Einstellung zum Wissen pflegen.
Unterrichtsart: neues Material lernen.
Ausrüstung: Multimedia-Installation.
Unterrichtsfortschritt
1. Organisatorischer Moment.
Jungs! Heute werden wir in der Lektion die Spaltung von Urankernen, die nukleare Kettenreaktion, die Bedingungen für ihr Auftreten, die kritische Masse wiederholen, wir werden lernen, was ein Kernreaktor ist, die Hauptelemente eines Kernreaktors, die Struktur eines Kernreaktors und das Funktionsprinzip, die Kontrolle einer Kernreaktion, die Klassifizierung von Kernreaktoren und ihre Verwendung.
2. Überprüfung des untersuchten Materials.
- Der Mechanismus der Spaltung von Urankernen.
- Erzählen Sie uns etwas über den Mechanismus einer nuklearen Kettenreaktion.
- Geben Sie ein Beispiel für eine Kernspaltungsreaktion eines Urankerns.
- Was nennt man kritische Masse?
- Wie kommt es zu einer Kettenreaktion in Uran, wenn seine Masse kleiner oder größer als kritisch ist?
- Was ist die kritische Masse von Uran 295? Ist es möglich, die kritische Masse zu reduzieren?
- Wie kann man den Verlauf einer nuklearen Kettenreaktion ändern?
- Welchen Zweck hat die Verlangsamung schneller Neutronen?
- Welche Substanzen werden als Moderatoren eingesetzt?
- Durch welche Faktoren kann die Zahl der freien Neutronen in einem Stück Uran erhöht werden und dadurch die Möglichkeit einer Reaktion darin gewährleistet werden?
3. Erläuterung des neuen Materials.
Leute, beantwortet diese Frage: Was ist Hauptteil Irgendein Atomkraftwerk? ( Kernreaktor)
Gut gemacht. Also, Leute, schauen wir uns dieses Problem nun genauer an.
Historische Informationen.
Igor Wassiljewitsch Kurtschatow ist ein herausragender sowjetischer Physiker, Akademiker, Gründer und erster Direktor des Instituts für Atomenergie von 1943 bis 1960 wissenschaftlicher Betreuer Nuklearproblem in der UdSSR, einer der Begründer der Nutzung der Kernenergie für friedliche Zwecke. Akademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (1943). Tests des ersten Atoms Sowjetische Bombe wurden 1949 durchgeführt. Vier Jahre später erfolgreiche Tests der erste auf der Welt Wasserstoffbombe. Und 1949 begann Igor Wassiljewitsch Kurtschatow mit der Arbeit an einem Kernkraftwerksprojekt. Das Kernkraftwerk ist der Vorbote der friedlichen Nutzung der Atomenergie. Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen: Am 27. Juli 1954 wurde unser Kernkraftwerk das erste der Welt! Kurchatov freute sich und hatte Spaß wie ein Kind!
Definition eines Kernreaktors.
Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung bestimmter schwerer Kerne durchgeführt und aufrechterhalten wird.
Der erste Kernreaktor wurde 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut. In unserem Land wurde der erste Reaktor 1946 unter der Leitung von I.V. Kurchatov gebaut.
Die Hauptelemente eines Kernreaktors sind:
- Kernbrennstoff (Uran 235, Uran 238, Plutonium 239);
- Neutronenmoderator (schweres Wasser, Graphit usw.);
- Kühlmittel zur Abfuhr der beim Reaktorbetrieb entstehenden Energie (Wasser, flüssiges Natrium usw.);
- Steuerstäbe (Bor, Cadmium) – stark absorbierende Neutronen
- Eine schützende Hülle, die Strahlung blockiert (Beton mit Eisenfüller).
Funktionsprinzip Kernreaktor
Kernbrennstoff befindet sich im Kern in Form von vertikalen Stäben, sogenannten Brennelementen (Brennelementen). Brennstäbe sollen die Reaktorleistung regulieren.
Die Masse jedes Brennstabs liegt deutlich unter der kritischen Masse, sodass es nicht zu einer Kettenreaktion in einem Stab kommen kann. Es beginnt, nachdem alle Uranstäbe in den Kern eingetaucht sind.
Der Kern ist von einer Substanzschicht umgeben, die Neutronen reflektiert (Reflektor) und einer Schutzhülle aus Beton, die Neutronen und andere Teilchen einfängt.
Wärmeabfuhr aus Brennstoffzellen. Das Kühlmittel Wasser wäscht den auf 300°C erhitzten Stab Bluthochdruck, gelangt in die Wärmetauscher.
Die Aufgabe des Wärmetauschers besteht darin, dass auf 300 °C erhitztes Wasser Wärme an normales Wasser abgibt und in Dampf umgewandelt wird.
Kernreaktionskontrolle
Die Steuerung des Reaktors erfolgt über Stäbe, die Cadmium oder Bor enthalten. Wenn die Stäbe aus dem Reaktorkern ausgefahren sind, ist K > 1, und wenn sie vollständig eingefahren sind – K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Langsamer Neutronenreaktor.
Die effizienteste Spaltung von Uran-235-Kernen erfolgt unter dem Einfluss langsamer Neutronen. Solche Reaktoren werden langsame Neutronenreaktoren genannt. Durch eine Spaltreaktion erzeugte Sekundärneutronen sind schnell. Damit ihre anschließende Wechselwirkung mit Uran-235-Kernen in der Kettenreaktion möglichst effektiv ist, werden sie durch die Einführung eines Moderators in den Kern verlangsamt – einer Substanz, die die kinetische Energie von Neutronen reduziert.
Reaktor für schnelle Neutronen.
Schnelle Neutronenreaktoren können nicht mit natürlichem Uran betrieben werden. Die Reaktion kann nur in einer angereicherten Mischung aufrechterhalten werden, die mindestens 15 % Uranisotope enthält. Der Vorteil schneller Neutronenreaktoren besteht darin, dass bei ihrem Betrieb eine erhebliche Menge Plutonium entsteht, das dann als Kernbrennstoff verwendet werden kann.
Homogene und heterogene Reaktoren.
Kernreaktoren werden je nach relativer Anordnung von Brennstoff und Moderator in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt. In einem homogenen Reaktor ist der Kern eine homogene Masse aus Brennstoff, Moderator und Kühlmittel in Form einer Lösung, Mischung oder Schmelze. Ein Reaktor, in dem Brennstoff in Form von Blöcken oder Brennelementen in einem Moderator angeordnet ist und darin ein regelmäßiges geometrisches Gitter bildet, wird als heterogen bezeichnet.
Umwandlung der inneren Energie von Atomkernen in elektrische Energie.
Ein Kernreaktor ist das Hauptelement eines Kernkraftwerks (KKW), das thermische Kernenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Energieumwandlung erfolgt nach folgendem Schema:
- innere Energie von Urankernen -
- kinetische Energie von Neutronen und Kernfragmenten -
- innere Energie des Wassers -
- innere Energie von Dampf -
- kinetische Energie von Dampf -
- kinetische Energie des Turbinenrotors und des Generatorrotors -
- elektrische Energie.
Einsatz von Kernreaktoren.
Je nach Zweck können Kernreaktoren Leistungsreaktoren, Konverter und Brüter, Forschungs- und Mehrzweckreaktoren, Transport- und Industriereaktoren sein.
Kernreaktoren werden zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken und Schiffen eingesetzt Kraftwerke, Kernwärmekraftwerken sowie an Kernwärmeversorgungsstationen.
Reaktoren zur Erzeugung sekundären Kernbrennstoffs aus natürlichem Uran und Thorium werden als Konverter oder Brüter bezeichnet. Im Konverterreaktor entsteht weniger sekundärer Kernbrennstoff als ursprünglich verbraucht wurde.
In einem Brutreaktor erfolgt die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen, d. h. Es stellt sich mehr heraus, als ausgegeben wurde.
Forschungsreaktoren werden verwendet, um die Prozesse der Wechselwirkung von Neutronen mit Materie zu untersuchen, das Verhalten von Reaktormaterialien in intensiven Feldern von Neutronen- und Gammastrahlung zu untersuchen, radiochemische und biologische Forschung zu betreiben und Isotope herzustellen. experimentelle Forschung Physik von Kernreaktoren.
Reaktoren haben unterschiedliche Leistungen, stationäre oder gepulste Betriebsarten. Mehrzweckreaktoren dienen mehreren Zwecken, beispielsweise der Energieerzeugung und der Produktion von Kernbrennstoff.
Umweltkatastrophen in Kernkraftwerken
- 1957 – Unfall in Großbritannien
- 1966 – Teilschmelze des Kerns nach einem Ausfall der Reaktorkühlung in der Nähe von Detroit.
- 1971 – viel verschmutztes Wasser floss in den US River
- 1979 – der größte Unfall in den USA
- 1982 – Freisetzung radioaktiven Dampfes in die Atmosphäre
- 1983 – ein schrecklicher Unfall in Kanada (20 Minuten lang floss radioaktives Wasser aus – eine Tonne pro Minute)
- 1986 – Unfall in Großbritannien
- 1986 – Unfall in Deutschland
- 1986 – Kernkraftwerk Tschernobyl
- 1988 – Brand in einem Atomkraftwerk in Japan
Moderne Kernkraftwerke sind mit PCs ausgestattet, doch früher liefen die Reaktoren auch nach einem Unfall weiter, da es kein automatisches Abschaltsystem gab.
4. Fixieren des Materials.
- Wie heißt ein Kernreaktor?
- Was ist der Kernbrennstoff in einem Reaktor?
- Welcher Stoff dient als Neutronenmoderator in einem Kernreaktor?
- Was ist der Zweck eines Neutronenmoderators?
- Wofür werden Steuerstäbe verwendet? Wie werden sie verwendet?
- Was wird in Kernreaktoren als Kühlmittel verwendet?
- Warum muss die Masse jedes Uranstabs kleiner als die kritische Masse sein?
5. Testdurchführung.
- Welche Teilchen sind an der Spaltung von Urankernen beteiligt?
A. Protonen;
B. Neutronen;
B. Elektronen;
G. Heliumkerne. - Welche Uranmasse ist kritisch?
A. der größte Wert, bei dem eine Kettenreaktion möglich ist;
B. jede Masse;
B. der kleinste, bei dem eine Kettenreaktion möglich ist;
D. die Masse, bei der die Reaktion stoppt. - Was ist die ungefähre kritische Masse von Uran 235?
A. 9 kg;
B. 20 kg;
B. 50 kg;
G. 90 kg. - Welche der folgenden Stoffe können in Kernreaktoren als Neutronenmoderatoren eingesetzt werden?
A. Graphit;
B. Cadmium;
B. schweres Wasser;
G. Bor. - Damit in einem Kernkraftwerk eine nukleare Kettenreaktion stattfinden kann, muss der Neutronenmultiplikationsfaktor sein:
A. ist gleich 1;
B. mehr als 1;
V. kleiner als 1. - Die Spaltungsgeschwindigkeit der Kerne schwerer Atome in Kernreaktoren wird reguliert:
A. aufgrund der Absorption von Neutronen beim Absenken von Stäben mit einem Absorber;
B. aufgrund einer Zunahme der Wärmeabfuhr mit zunehmender Kühlmittelgeschwindigkeit;
B. durch eine Erhöhung der Stromversorgung der Verbraucher;
G. durch Reduzierung der Kernbrennstoffmasse im Kern beim Entfernen von Brennstäben. - Welche Energieumwandlungen finden in einem Kernreaktor statt?
A. die innere Energie von Atomkernen wird in Lichtenergie umgewandelt;
B. die innere Energie von Atomkernen in mechanische Energie umgewandelt wird;
B. die innere Energie von Atomkernen in elektrische Energie umgewandelt wird;
D. Keine der Antworten ist richtig. - 1946 wurde der erste Kernreaktor in der Sowjetunion gebaut. Wer war der Leiter dieses Projekts?
A. S. Korolev;
B. I. Kurtschatow;
V. D. Sacharow;
G. A. Prochorow. - Welcher Weg ist Ihrer Meinung nach der akzeptabelste, um die Zuverlässigkeit von Kernkraftwerken zu erhöhen und Kontaminationen zu verhindern? äußere Umgebung?
A. Entwicklung von Reaktoren, die den Reaktorkern unabhängig vom Willen des Betreibers automatisch kühlen können;
B. Erhöhung der Kenntnisse über den Betrieb von Kernkraftwerken und des Niveaus der beruflichen Vorbereitung der Betreiber von Kernkraftwerken;
B. Entwicklung hocheffizienter Technologien zum Rückbau von Kernkraftwerken und zur Verarbeitung radioaktiver Abfälle;
D. Lage der Reaktoren tief unter der Erde;
D. Weigerung, ein Kernkraftwerk zu bauen und zu betreiben. - Was sind die Verschmutzungsquellen? Umfeld im Zusammenhang mit dem Betrieb von Kernkraftwerken?
A. Uranindustrie;
B. Kernreaktoren verschiedene Typen;
B. radiochemische Industrie;
D. Standorte zur Verarbeitung und Entsorgung radioaktiver Abfälle;
D. Einsatz von Radionukliden in Volkswirtschaft;
E. nukleare Explosionen.
Antworten: 1 B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5 A; 6 A; 7 V;. 8 B; 9 B.V; 10 A, B, C, D, E.
6. Zusammenfassung der Lektion.
Was hast du heute im Unterricht Neues gelernt?
Was hat Ihnen an der Lektion gefallen?
Welche Fragen haben Sie?
VIELEN DANK FÜR IHRE ARBEIT IN DER LEKTION!
