¿Qué es un reactor nuclear? El nacimiento de la energía nuclear. Fisión nuclear de uranio

: ... bastante banal, pero todavía no he encontrado la información en una forma digerible: cómo un reactor nuclear EMPIEZA a funcionar. Todo sobre el principio y la estructura del trabajo ya se ha analizado más de 300 veces y está claro, pero así es como se obtiene el combustible y de qué y por qué no es tan peligroso hasta que está en el reactor y por qué no reacciona antes de ser sumergido en el reactor! - después de todo, se calienta solo por dentro, sin embargo, antes de cargar el combustible está frío y todo está bien, por lo que no está del todo claro qué causa el calentamiento de los elementos, cómo se ven afectados, etc., preferiblemente no científicamente).

Por supuesto, es difícil plantear un tema así de forma no científica, pero lo intentaré. Primero, averigüemos qué son estas barras de combustible.

El combustible nuclear son tabletas negras con un diámetro de aproximadamente 1 cm y una altura de aproximadamente 1,5 cm. Contienen un 2% de dióxido de uranio 235 y un 98% de uranio 238, 236, 239. En todos los casos, con cualquier cantidad de combustible nuclear, a. No se puede desarrollar una explosión nuclear porque para una reacción de fisión rápida similar a una avalancha, característica de una explosión nuclear, se requiere una concentración de uranio 235 superior al 60%.

Se cargan doscientas pastillas de combustible nuclear en un tubo hecho de metal de circonio. La longitud de este tubo es de 3,5 m. diámetro 1,35 cm. Este tubo se llama elemento combustible - elemento combustible. Se ensamblan 36 barras de combustible en un casete (otro nombre es "ensamblaje").

Diseño del elemento combustible del reactor RBMK: 1 - bujía; 2 - tabletas de dióxido de uranio; 3 - carcasa de circonio; 4 - primavera; 5 - casquillo; 6 - propina.

La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre sólo si la sustancia tiene una reserva de energía. Esto último significa que las micropartículas de una sustancia se encuentran en un estado con una energía en reposo mayor que en otro posible estado al que exista una transición. Una transición espontánea siempre se evita mediante una barrera energética, para superar la cual la micropartícula debe recibir una cierta cantidad de energía del exterior: energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera energética: mediante la energía cinética de las partículas que chocan o mediante la energía de enlace de la partícula que se une.

Si tenemos en cuenta la escala macroscópica de la liberación de energía, entonces todas o al principio al menos una fracción de las partículas de una sustancia deben tener la energía cinética necesaria para provocar reacciones. Esto sólo se puede lograr aumentando la temperatura del medio a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerque al umbral de energía que limita el curso del proceso. En el caso de transformaciones moleculares, es decir, reacciones químicas, dicho aumento suele ser de cientos de grados Kelvin, pero en el caso de reacciones nucleares es de al menos 107 K debido a la altísima altura de las barreras de Coulomb de los núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se lleva a cabo en la práctica sólo durante la síntesis de los núcleos más ligeros, en los que las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación al unir partículas no requiere mucha energía cinética y, por tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a enlaces no utilizados inherentes a las fuerzas de atracción de las partículas. Pero para provocar reacciones, las propias partículas son necesarias. Y si nuevamente no nos referimos a un acto de reacción individual, sino a la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto sólo es posible cuando se produce una reacción en cadena. Esto último ocurre cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de una reacción exoenergética.

Para controlar y proteger un reactor nuclear se utilizan barras de control que se pueden mover a lo largo de toda la altura del núcleo. Las barras están hechas de sustancias que absorben fuertemente los neutrones, por ejemplo, boro o cadmio. Cuando las varillas se insertan profundamente, una reacción en cadena se vuelve imposible, ya que los neutrones son fuertemente absorbidos y eliminados de la zona de reacción.

Las varillas se mueven de forma remota desde el panel de control. Con un ligero movimiento de las varillas, el proceso en cadena se desarrollará o se desvanecerá. De esta forma se regula la potencia del reactor.

Central nuclear de Leningrado, reactor RBMK

Inicio de la operación del reactor:

En el momento inicial después de la primera carga de combustible, no hay reacción en cadena de fisión en el reactor, el reactor se encuentra en un estado subcrítico. La temperatura del refrigerante es significativamente menor que la temperatura de funcionamiento.

Como ya hemos mencionado aquí, para que comience una reacción en cadena, el material fisionable debe formar una masa crítica: una cantidad suficiente de material fisionable espontáneamente en un espacio suficientemente pequeño, condición bajo la cual el número de neutrones liberados durante la fisión nuclear debe ser mayor que el número de neutrones absorbidos. Esto se puede hacer aumentando el contenido de uranio-235 (la cantidad de barras de combustible cargadas) o disminuyendo la velocidad de los neutrones para que no pasen volando por los núcleos de uranio-235.

El reactor se pone en funcionamiento en varias etapas. Con la ayuda de reguladores de reactividad, el reactor se transfiere al estado supercrítico Kef>1 y la potencia del reactor aumenta hasta un nivel del 1-2% de la nominal. En esta etapa, el reactor se calienta hasta los parámetros operativos del refrigerante y la velocidad de calentamiento es limitada. Durante el proceso de calentamiento, los controles mantienen la potencia a un nivel constante. Luego se ponen en marcha las bombas de circulación y se pone en funcionamiento el sistema de eliminación de calor. Después de esto, la potencia del reactor se puede aumentar a cualquier nivel en el rango del 2 al 100% de la potencia nominal.

Cuando el reactor se calienta, la reactividad cambia debido a cambios en la temperatura y densidad de los materiales del núcleo. A veces, durante el calentamiento, la posición relativa del núcleo y los elementos de control que entran o salen del núcleo cambia, provocando un efecto de reactividad en ausencia de movimiento activo de los elementos de control.

Regulación mediante elementos absorbentes sólidos y móviles.

Para cambiar rápidamente la reactividad, en la gran mayoría de los casos se utilizan absorbentes sólidos móviles. En el reactor RBMK, las barras de control contienen casquillos de carburo de boro encerrados en un tubo de aleación de aluminio con un diámetro de 50 o 70 mm. Cada varilla de control se coloca en un canal separado y se enfría con agua del circuito del sistema de control y protección (sistema de control y protección) a una temperatura promedio de 50 ° C. Según su finalidad, las varillas se dividen en AZ (protección de emergencia ) varillas; hay 24 varillas de este tipo en el RBMK. Varillas de control automático - 12 piezas, varillas de control automático local - 12 piezas, varillas de control manual - 131 y 32 varillas absorbentes acortadas (USP). Hay 211 varillas en total. Además, las varillas acortadas se insertan en el núcleo desde abajo y el resto desde arriba.

Reactor VVER 1000 1 - accionamiento del sistema de control; 2 - tapa del reactor; 3 - cuerpo del reactor; 4 - bloque de tubos protectores (BZT); 5 - eje; 6 - recinto central; 7 - conjuntos combustibles (FA) y barras de control;

Elementos absorbentes combustibles.

Para compensar el exceso de reactividad después de cargar combustible nuevo, a menudo se utilizan absorbentes combustibles. Su principio de funcionamiento es que, al igual que el combustible, después de capturar un neutrón, dejan de absorber neutrones (se queman). Además, la tasa de disminución como resultado de la absorción de neutrones por los núcleos absorbentes es menor o igual a la tasa de disminución como resultado de la fisión de los núcleos de combustible. Si cargamos el núcleo de un reactor con combustible diseñado para funcionar durante un año, entonces es obvio que el número de núcleos de combustible fisionable al inicio de la operación será mayor que al final, y debemos compensar el exceso de reactividad colocando absorbentes. en el núcleo. Si para este fin se utilizan barras de control, deberemos moverlas continuamente a medida que disminuye el número de núcleos de combustible. El uso de absorbentes combustibles reduce el uso de varillas móviles. Hoy en día, los absorbentes combustibles se suelen añadir directamente a las pastillas de combustible durante su fabricación.

Control de reactividad de fluidos.

Dicha regulación se utiliza, en particular, durante el funcionamiento de un reactor tipo VVER, se introduce en el refrigerante ácido bórico H3BO3 que contiene núcleos absorbentes de neutrones 10B. Al cambiar la concentración de ácido bórico en el camino del refrigerante, cambiamos la reactividad en el núcleo. Durante el período inicial de funcionamiento del reactor, cuando hay muchos núcleos de combustible, la concentración de ácido es máxima. A medida que el combustible se quema, la concentración de ácido disminuye.

Mecanismo de reacción en cadena

Un reactor nuclear puede funcionar a una potencia determinada durante mucho tiempo sólo si tiene una reserva de reactividad al inicio de su funcionamiento. La excepción son los reactores subcríticos con una fuente externa de neutrones térmicos. La liberación de reactividad ligada a medida que disminuye por causas naturales asegura el mantenimiento del estado crítico del reactor en cada momento de su funcionamiento. La reserva de reactividad inicial se crea mediante la construcción de un núcleo con dimensiones que superan significativamente las críticas. Para evitar que el reactor se vuelva supercrítico, al mismo tiempo se reduce artificialmente la k0 del medio de cultivo. Esto se consigue introduciendo en el núcleo sustancias absorbentes de neutrones, que posteriormente pueden retirarse del núcleo. Al igual que en los elementos de control de una reacción en cadena, las sustancias absorbentes están incluidas en el material de las varillas de una u otra sección transversal que se mueven a través de los canales correspondientes en el núcleo. Pero si para la regulación bastan una, dos o varias varillas, entonces, para compensar el exceso de reactividad inicial, el número de varillas puede llegar a cientos. Estas varillas se denominan varillas compensadoras. Las barras de control y compensación no representan necesariamente elementos de diseño diferentes. Varias barras de compensación pueden ser barras de control, pero las funciones de ambas son diferentes. Las barras de control están diseñadas para mantener un estado crítico en cualquier momento, detener y arrancar el reactor y pasar de un nivel de potencia a otro. Todas estas operaciones requieren pequeños cambios en la reactividad. Las varillas de compensación se retiran gradualmente del núcleo del reactor, asegurando un estado crítico durante todo el tiempo de funcionamiento.

A veces, las barras de control no están hechas de materiales absorbentes, sino de material fisible o material dispersor. En los reactores térmicos se trata principalmente de absorbentes de neutrones; no existen absorbentes de neutrones rápidos eficaces. Los absorbentes como el cadmio, el hafnio y otros absorben fuertemente solo neutrones térmicos debido a la proximidad de la primera resonancia a la región térmica, y fuera de esta última no se diferencian de otras sustancias en sus propiedades absorbentes. La excepción es el boro, cuya sección transversal de absorción de neutrones disminuye con la energía mucho más lentamente que la de las sustancias indicadas, según la ley l / v. Por tanto, el boro absorbe neutrones rápidos, aunque débilmente, pero algo mejor que otras sustancias. El material absorbente en un reactor de neutrones rápidos sólo puede ser boro, si es posible enriquecido con el isótopo 10B. Además del boro, también se utilizan materiales fisibles para las barras de control de los reactores de neutrones rápidos. Una varilla compensadora hecha de material fisionable realiza la misma función que una varilla absorbente de neutrones: aumenta la reactividad del reactor mientras que naturalmente disminuye. Sin embargo, a diferencia de un absorbente, una varilla de este tipo se sitúa fuera del núcleo al comienzo del funcionamiento del reactor y luego se introduce en el núcleo.

Los materiales de dispersión utilizados en los reactores rápidos son el níquel, que tiene una sección transversal de dispersión para neutrones rápidos que es ligeramente mayor que la de otras sustancias. Las barras dispersoras están situadas a lo largo de la periferia del núcleo y su inmersión en el canal correspondiente provoca una disminución de la fuga de neutrones del núcleo y, en consecuencia, un aumento de la reactividad. En algunos casos especiales, los objetivos del control de la reacción en cadena son las partes móviles de los reflectores de neutrones que, cuando se mueven, cambian la fuga de neutrones del núcleo. Las barras de control, compensación y emergencia, junto con todos los equipos que aseguran su normal funcionamiento, forman el sistema de control y protección del reactor (CPS).

Protección de emergencia:

La protección de emergencia de un reactor nuclear es un conjunto de dispositivos diseñados para detener rápidamente una reacción nuclear en cadena en el núcleo del reactor.

La protección activa de emergencia se activa automáticamente cuando uno de los parámetros de un reactor nuclear alcanza un valor que podría provocar un accidente. Dichos parámetros pueden ser: temperatura, presión y flujo de refrigerante, nivel y velocidad de aumento de potencia.

Los elementos ejecutivos de la protección de emergencia son, en la mayoría de los casos, varillas con una sustancia que absorbe bien los neutrones (boro o cadmio). A veces, para apagar el reactor, se inyecta un líquido absorbente en el circuito de refrigerante.

Además de la protección activa, muchos diseños modernos también incluyen elementos de protección pasiva. Por ejemplo, las versiones modernas de los reactores VVER incluyen un "Sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia" (ECCS), tanques especiales con ácido bórico ubicados encima del reactor. En caso de un accidente de máxima base de diseño (rotura del primer circuito de refrigeración del reactor), el contenido de estos depósitos acaba por gravedad dentro del núcleo del reactor y la reacción nuclear en cadena es extinguida por una gran cantidad de sustancia que contiene boro, que Absorbe bien los neutrones.

Según las “Normas de seguridad nuclear para instalaciones de reactores de centrales nucleares”, al menos uno de los sistemas de parada de reactores previstos debe cumplir la función de protección de emergencia (EP). La protección de emergencia debe tener al menos dos grupos independientes de elementos de trabajo. A la señal AZ, las piezas de trabajo AZ deben activarse desde cualquier posición de trabajo o intermedia.

El equipamiento AZ deberá estar formado por al menos dos conjuntos independientes.

Cada conjunto de equipos AZ debe diseñarse de tal manera que se proporcione protección en el rango de cambios en la densidad del flujo de neutrones del 7% al 120% del nominal:

1. Por densidad de flujo de neutrones: al menos tres canales independientes;
2. Según la tasa de aumento de la densidad del flujo de neutrones, al menos tres canales independientes.

Cada conjunto de equipos de protección de emergencia debe diseñarse de tal manera que, en toda la gama de cambios en los parámetros tecnológicos establecidos en el diseño de la planta del reactor (RP), la protección de emergencia sea proporcionada por al menos tres canales independientes para cada parámetro tecnológico. para el cual se requiere protección.

Los comandos de control de cada conjunto para actuadores AZ deben transmitirse a través de al menos dos canales. Cuando un canal de uno de los conjuntos de equipos AZ se pone fuera de funcionamiento sin poner fuera de funcionamiento este conjunto, se debe generar automáticamente una señal de alarma para este canal.

La protección de emergencia debe activarse al menos en los siguientes casos:

1. Al alcanzar la configuración AZ para la densidad de flujo de neutrones.
2. Al alcanzar el ajuste AZ para la tasa de aumento de la densidad del flujo de neutrones.
3. Si desaparece la tensión en cualquier conjunto de equipos de protección de emergencia y barras de alimentación del sistema de control de seguridad que no haya sido puesto fuera de funcionamiento.
4. En caso de fallo de dos cualesquiera de los tres canales de protección para la densidad del flujo de neutrones o para la tasa de aumento del flujo de neutrones en cualquier conjunto de equipos AZ que no hayan sido retirados de servicio.
5. Cuando los parámetros tecnológicos sobre los que se debe realizar la protección alcanzan la configuración AZ.
6. Al activar el AZ desde una clave desde un punto de control de bloque (BCP) o un punto de control de reserva (RCP).

¿Quizás alguien pueda explicar brevemente de una manera aún menos científica cómo comienza a funcionar una unidad de central nuclear? :-)

Recuerda un tema como El artículo original está en el sitio web. InfoGlaz.rf Enlace al artículo del que se hizo esta copia:

Hoy haremos un breve viaje al mundo de la física nuclear. El tema de nuestra excursión será un reactor nuclear. Aprenderá cómo funciona, qué principios físicos subyacen a su funcionamiento y dónde se utiliza este dispositivo.

El nacimiento de la energía nuclear

El primer reactor nuclear del mundo se creó en 1942 en Estados Unidos. un grupo experimental de físicos dirigido por el premio Nobel Enrico Fermi. Al mismo tiempo, llevaron a cabo una reacción autosostenida de fisión de uranio. El genio atómico ha sido liberado.

El primer reactor nuclear soviético se puso en marcha en 1946. y 8 años después, la primera central nuclear del mundo en la ciudad de Obninsk generó corriente. El director científico jefe del trabajo en la industria de la energía nuclear de la URSS fue un físico destacado. Ígor Vasilievich Kurchátov.

Desde entonces, han cambiado varias generaciones de reactores nucleares, pero los principales elementos de su diseño se han mantenido sin cambios.

Anatomía de un reactor nuclear.

Esta instalación nuclear es un tanque de acero de paredes gruesas con una capacidad cilíndrica que va desde varios centímetros cúbicos hasta muchos metros cúbicos.

Dentro de este cilindro está el lugar santísimo. núcleo del reactor. Aquí es donde se produce la reacción en cadena de la fisión nuclear.

Veamos cómo ocurre este proceso.

Núcleos de elementos pesados, en particular Uranio-235 (U-235), bajo la influencia de un pequeño choque de energía son capaces de desmoronarse en 2 fragmentos de masa aproximadamente igual. El agente causante de este proceso es el neutrón.

Los fragmentos suelen ser núcleos de bario y criptón. Cada uno de ellos lleva una carga positiva, por lo que las fuerzas de repulsión de Coulomb los obligan a separarse en diferentes direcciones a una velocidad de aproximadamente 1/30 de la velocidad de la luz. Estos fragmentos son portadores de una energía cinética colosal.

Para el uso práctico de la energía, es necesario que su liberación sea autosostenida. Reacción en cadena, La fisión en cuestión es especialmente interesante porque cada evento de fisión va acompañado de la emisión de nuevos neutrones. En promedio, se producen de 2 a 3 nuevos neutrones por cada neutrón inicial. El número de núcleos de uranio fisible aumenta como una avalancha, provocando la liberación de una enorme energía. Si este proceso no se controla, se producirá una explosión nuclear. Tiene lugar en .

Para regular el número de neutrones. Se introducen en el sistema materiales que absorben neutrones. asegurando una suave liberación de energía. Como absorbentes de neutrones se utilizan cadmio o boro.

¿Cómo frenar y utilizar la enorme energía cinética de los fragmentos? Para estos fines se utiliza refrigerante, es decir. un ambiente especial, en movimiento en el que los fragmentos se ralentizan y se calientan a temperaturas extremadamente altas. Dicho medio puede ser agua ordinaria o pesada, metales líquidos (sodio) y algunos gases. Para no provocar la transición del refrigerante al estado de vapor, Se mantiene alta presión en el núcleo (hasta 160 atm). Por este motivo, las paredes del reactor están fabricadas con acero de calidad especial de diez centímetros.

Si los neutrones salen volando del combustible nuclear, la reacción en cadena puede interrumpirse. Por tanto, existe una masa crítica de material fisionable, es decir su masa mínima con la que se mantendrá una reacción en cadena. Depende de varios parámetros, incluida la presencia de un reflector que rodea el núcleo del reactor. Sirve para evitar la fuga de neutrones al medio ambiente. El material más común para este elemento estructural es el grafito.

Los procesos que tienen lugar en el reactor van acompañados de la liberación del tipo de radiación más peligrosa: la radiación gamma. Para minimizar este peligro, está equipado con protección antirradiación.

¿Cómo funciona un reactor nuclear?

El combustible nuclear, llamado barras de combustible, se coloca en el núcleo del reactor. Son pastillas formadas a partir de material fisionable y colocadas en finos tubos de unos 3,5 m de largo y 10 mm de diámetro.

En el núcleo se colocan cientos de conjuntos combustibles similares y se convierten en fuentes de energía térmica liberada durante la reacción en cadena. El refrigerante que circula alrededor de las barras de combustible forma el primer circuito del reactor.

Calentado a parámetros elevados, se bombea a un generador de vapor, donde transfiere su energía al agua del circuito secundario, convirtiéndola en vapor. El vapor resultante hace girar el turbogenerador. La electricidad generada por esta unidad se transmite al consumidor. Y el vapor de escape, enfriado por el agua del estanque de refrigeración, en forma de condensado, regresa al generador de vapor. El ciclo se completa.

Este funcionamiento de doble circuito de una instalación nuclear elimina la penetración de la radiación que acompaña a los procesos que tienen lugar en el núcleo más allá de sus límites.

Así, en el reactor se produce una cadena de transformaciones de energía: energía nuclear del material fisionable → en energía cinética de los fragmentos → energía térmica del refrigerante → energía cinética de la turbina → y en energía eléctrica en el generador.

Las inevitables pérdidas de energía conducen a La eficiencia de las centrales nucleares es relativamente baja, del 33 al 34%.

Además de generar energía eléctrica en las centrales nucleares, los reactores nucleares se utilizan para producir diversos isótopos radiactivos, para la investigación en muchas áreas de la industria y para estudiar los parámetros permisibles de los reactores industriales. Los reactores de transporte, que suministran energía a los motores de los vehículos, están cada vez más extendidos.

Tipos de reactores nucleares

Normalmente, los reactores nucleares funcionan con uranio U-235. Sin embargo, su contenido en materia natural es extremadamente bajo, sólo el 0,7%. La mayor parte del uranio natural es el isótopo U-238. Sólo los neutrones lentos pueden provocar una reacción en cadena en el U-235, y el isótopo U-238 sólo se divide por neutrones rápidos. Como resultado de la división del núcleo, nacen neutrones tanto lentos como rápidos. Los neutrones rápidos, al experimentar inhibición en el refrigerante (agua), se vuelven lentos. Pero la cantidad de isótopo U-235 en el uranio natural es tan pequeña que es necesario recurrir a su enriquecimiento, llevando su concentración al 3-5%. Este proceso es muy caro y económicamente no rentable. Además, el tiempo para el agotamiento de los recursos naturales de este isótopo se estima en sólo 100-120 años.

Por tanto, en la industria nuclear Hay una transición gradual hacia reactores que funcionan con neutrones rápidos.

Su principal diferencia es que se utilizan metales líquidos como refrigerante, que no ralentizan los neutrones, y el U-238 se utiliza como combustible nuclear. Los núcleos de este isótopo pasan a través de una cadena de transformaciones nucleares en plutonio-239, que está sujeto a una reacción en cadena de la misma manera que el U-235. Es decir, el combustible nuclear se reproduce, y en cantidades superiores a su consumo.

Según los expertos Las reservas del isótopo uranio-238 deberían ser suficientes para 3.000 años. Este tiempo es suficiente para que la humanidad tenga tiempo suficiente para desarrollar otras tecnologías.

Problemas del uso de la energía nuclear.

Junto con las ventajas obvias de la energía nuclear, no se puede subestimar la magnitud de los problemas asociados con el funcionamiento de las instalaciones nucleares.

El primero es Eliminación de residuos radiactivos y equipos desmantelados. energía nuclear. Estos elementos tienen una radiación de fondo activa que persiste durante un largo período. Para eliminar estos residuos se utilizan contenedores especiales para plomo. Se supone que deben estar enterrados en zonas de permafrost a una profundidad de hasta 600 metros. Por lo tanto, se trabaja constantemente para encontrar una manera de reciclar los desechos radiactivos, lo que debería resolver el problema de la eliminación y ayudar a preservar la ecología de nuestro planeta.

El segundo problema no menos grave es garantizar la seguridad durante la operación de la CN. Accidentes importantes como el de Chernobyl pueden cobrar muchas vidas y dejar inutilizables grandes territorios.

El accidente en la central nuclear japonesa Fukushima-1 no hizo más que confirmar el peligro potencial que se manifiesta cuando se produce una situación de emergencia en las instalaciones nucleares.

Sin embargo, las posibilidades de la energía nuclear son tan grandes que los problemas medioambientales pasan a un segundo plano.

Hoy en día, la humanidad no tiene otra forma de satisfacer su hambre energética cada vez mayor. La base de la energía nuclear del futuro probablemente serán los reactores “rápidos” con la función de reproducir combustible nuclear.

Si este mensaje te fue útil, estaré encantado de verte.

Para comprender el principio de funcionamiento y la estructura de un reactor nuclear, es necesario hacer una breve excursión al pasado. Un reactor nuclear es un sueño centenario, aunque no plenamente realizado, de la humanidad sobre una fuente inagotable de energía. Su antiguo "progenitor" es un fuego hecho de ramas secas, que una vez iluminó y calentó las bóvedas de la cueva donde nuestros ancestros lejanos encontraron la salvación del frío. Más tarde, la gente dominó los hidrocarburos: carbón, esquisto, petróleo y gas natural.

Comenzó una era turbulenta pero de corta duración del vapor, que fue reemplazada por una era de la electricidad aún más fantástica. Las ciudades se llenaron de luz y los talleres se llenaron del zumbido de máquinas hasta ahora invisibles impulsadas por motores eléctricos. Entonces pareció que el progreso había llegado a su apogeo.

Todo cambió a finales del siglo XIX, cuando el químico francés Antoine Henri Becquerel descubrió accidentalmente que las sales de uranio son radiactivas. Dos años más tarde, sus compatriotas Pierre Curie y su esposa Maria Sklodowska-Curie obtuvieron de ellos radio y polonio, y su nivel de radiactividad era millones de veces mayor que el del torio y el uranio.

El testigo lo recogió Ernest Rutherford, quien estudió en detalle la naturaleza de los rayos radiactivos. Así comenzó la era del átomo, que dio origen a su amado hijo: el reactor atómico.

Primer reactor nuclear

“Primogénito” proviene de Estados Unidos. En diciembre de 1942 se produjo la primera corriente en el reactor, que lleva el nombre de su creador, uno de los más grandes físicos del siglo, E. Fermi. Tres años más tarde, la instalación nuclear ZEEP nació en Canadá. El "bronce" fue para el primer reactor soviético F-1, inaugurado a finales de 1946. I.V. Kurchatov se convirtió en el jefe del proyecto nuclear nacional. Hoy en día, más de 400 unidades de energía nuclear funcionan con éxito en el mundo.

Tipos de reactores nucleares

Su objetivo principal es apoyar una reacción nuclear controlada que produzca electricidad. Algunos reactores producen isótopos. En definitiva, son dispositivos en cuyas profundidades unas sustancias se convierten en otras con liberación de una gran cantidad de energía térmica. Se trata de una especie de “horno” donde, en lugar de combustibles tradicionales, se queman isótopos de uranio (U-235, U-238 y plutonio (Pu).

A diferencia de, por ejemplo, un coche diseñado para varios tipos de gasolina, cada tipo de combustible radiactivo tiene su propio tipo de reactor. Hay dos de ellos: neutrones lentos (con U-235) y rápidos (con U-238 y Pu). La mayoría de las centrales nucleares tienen reactores de neutrones lentos. Además de las centrales nucleares, las instalaciones “funcionan” en centros de investigación, en submarinos nucleares, etc.

Cómo funciona el reactor

Todos los reactores tienen aproximadamente el mismo circuito. Su “corazón” es la zona activa. Se puede comparar aproximadamente con la cámara de combustión de una estufa convencional. Sólo que en lugar de leña hay combustible nuclear en forma de elementos combustibles con un moderador: barras de combustible. La zona activa está ubicada dentro de una especie de cápsula: un reflector de neutrones. Las barras de combustible son “lavadas” por el refrigerante: agua. Dado que el “corazón” tiene un nivel muy alto de radiactividad, está rodeado de una protección radiológica fiable.

Los operadores controlan el funcionamiento de la planta mediante dos sistemas críticos: control de reacción en cadena y un sistema de control remoto. Si ocurre una emergencia, la protección de emergencia se activa inmediatamente.

¿Cómo funciona un reactor?

La “llama” atómica es invisible, ya que los procesos ocurren al nivel de la fisión nuclear. Durante una reacción en cadena, los núcleos pesados ​​se desintegran en fragmentos más pequeños que, al estar en un estado excitado, se convierten en fuentes de neutrones y otras partículas subatómicas. Pero el proceso no termina ahí. Los neutrones continúan "dividiéndose", como resultado de lo cual se libera mucha energía, es decir, lo que sucede para qué se construyen las centrales nucleares.

La tarea principal del personal es mantener la reacción en cadena con la ayuda de barras de control en un nivel constante y ajustable. Ésta es su principal diferencia con la bomba atómica, donde el proceso de desintegración nuclear es incontrolable y avanza rápidamente, en forma de una poderosa explosión.

¿Qué pasó en la central nuclear de Chernóbil?

Una de las principales razones del desastre de la central nuclear de Chernobyl en abril de 1986 fue una grave violación de las normas de seguridad operativa durante el mantenimiento rutinario de la cuarta unidad de energía. Luego se retiraron simultáneamente del núcleo 203 barras de grafito en lugar de las 15 permitidas por la normativa. Como resultado, la incontrolable reacción en cadena que comenzó terminó en una explosión térmica y la destrucción total de la unidad de potencia.

Reactores de nueva generación

Durante la última década, Rusia se ha convertido en uno de los líderes en energía nuclear mundial. Actualmente, la corporación estatal Rosatom construye centrales nucleares en 12 países, donde se construyen 34 unidades de energía. Una demanda tan elevada es una prueba del alto nivel de la tecnología nuclear rusa moderna. Los siguientes en la lista son los nuevos reactores de cuarta generación.

"Brest"

Uno de ellos es Brest, que se está desarrollando en el marco del proyecto Breakthrough. Los sistemas actuales de ciclo abierto funcionan con uranio poco enriquecido, lo que deja que grandes cantidades de combustible gastado se eliminen a un costo enorme. "Brest": un reactor de neutrones rápidos es único en su ciclo cerrado.

En él, el combustible gastado, después de un procesamiento adecuado en un reactor de neutrones rápidos, vuelve a convertirse en combustible completo, que puede cargarse nuevamente en la misma instalación.

Brest se distingue por un alto nivel de seguridad. Nunca “explotará” ni siquiera en el accidente más grave, es muy económico y respetuoso con el medio ambiente, ya que reutiliza su uranio “renovado”. Tampoco puede utilizarse para producir plutonio apto para armas, lo que abre las perspectivas más amplias para su exportación.

VVER-1200

VVER-1200 es un reactor innovador de generación 3+ con una capacidad de 1150 MW. Gracias a sus capacidades técnicas únicas, tiene una seguridad operativa casi absoluta. El reactor está abundantemente equipado con sistemas de seguridad pasiva que funcionarán automáticamente incluso en ausencia de suministro de energía.

Uno de ellos es un sistema pasivo de eliminación de calor, que se activa automáticamente cuando el reactor está completamente desenergizado. En este caso, se proporcionan tanques hidráulicos de emergencia. Si hay una caída anormal de presión en el circuito primario, comienza a suministrarse al reactor una gran cantidad de agua que contiene boro, que apaga la reacción nuclear y absorbe neutrones.

Otro know-how se encuentra en la parte inferior de la capa protectora: la “trampa” de fusión. Si, como resultado de un accidente, el núcleo tiene una “fuga”, la “trampa” no permitirá que la capa de contención colapse y evitará que los productos radiactivos penetren en el suelo.

Una reacción en cadena de fisión siempre va acompañada de la liberación de una enorme energía. El uso práctico de esta energía es la tarea principal de un reactor nuclear.

Un reactor nuclear es un dispositivo en el que se produce una reacción de fisión nuclear controlada o controlada.

Según el principio de funcionamiento, los reactores nucleares se dividen en dos grupos: reactores de neutrones térmicos y reactores de neutrones rápidos.

¿Cómo funciona un reactor nuclear de neutrones térmicos?

Un reactor nuclear típico tiene:

• Núcleo y moderador;
• Reflector de neutrones;
• refrigerante;
• Sistema de control de reacción en cadena, protección de emergencia;
• Sistema de control y protección radiológica;
• Sistema de control remoto.

1 - zona activa; 2 - reflector; 3 - protección; 4 - barras de control; 5 - refrigerante; 6 - bombas; 7 - intercambiador de calor; 8 - turbina; 9 - generador; 10 - condensador.

Núcleo y moderador

Es en el núcleo donde se produce una reacción en cadena de fisión controlada.

La mayoría de los reactores nucleares funcionan con isótopos pesados ​​de uranio-235. Pero en muestras naturales de mineral de uranio su contenido es sólo del 0,72%. Esta concentración no es suficiente para que se desarrolle una reacción en cadena. Por tanto, el mineral se enriquece artificialmente, llevando el contenido de este isótopo al 3%.

El material fisionable, o combustible nuclear, en forma de tabletas se coloca en varillas herméticamente selladas, que se denominan barras de combustible (elementos combustibles). Impregnan toda la zona activa llena de moderador neutrones.

¿Por qué se necesita un moderador de neutrones en un reactor nuclear?

El hecho es que los neutrones nacidos tras la desintegración de los núcleos de uranio-235 tienen una velocidad muy alta. La probabilidad de que sean capturados por otros núcleos de uranio es cientos de veces menor que la probabilidad de captura de neutrones lentos. Y si no se reduce su velocidad, la reacción nuclear puede extinguirse con el tiempo. El moderador resuelve el problema de reducir la velocidad de los neutrones. Si se coloca agua o grafito en el camino de los neutrones rápidos, se puede reducir artificialmente su velocidad y, por tanto, aumentar el número de partículas capturadas por los átomos. Al mismo tiempo, una reacción en cadena en el reactor requerirá menos combustible nuclear.

Como resultado del proceso de desaceleración, neutrones termales, cuya velocidad es casi igual a la velocidad del movimiento térmico de las moléculas de gas a temperatura ambiente.

Como moderadores en los reactores nucleares se utilizan agua, agua pesada (óxido de deuterio D 2 O), berilio y grafito. Pero el mejor moderador es el agua pesada D2O.

reflector de neutrones

Para evitar la fuga de neutrones al medio ambiente, el núcleo de un reactor nuclear está rodeado de reflector de neutrones. El material utilizado para los reflectores suele ser el mismo que el de los moderadores.

refrigerante

El calor liberado durante una reacción nuclear se elimina mediante un refrigerante. El agua natural ordinaria, previamente purificada de diversas impurezas y gases, se utiliza a menudo como refrigerante en los reactores nucleares. Pero como el agua ya hierve a una temperatura de 100 0 C y una presión de 1 atm, para aumentar el punto de ebullición, se aumenta la presión en el circuito de refrigerante primario. El agua del circuito primario que circula por el núcleo del reactor lava las barras de combustible, calentándolas hasta una temperatura de 320 0 C. Luego, dentro del intercambiador de calor, cede calor al agua del circuito secundario. El intercambio se realiza a través de tubos intercambiadores de calor, por lo que no hay contacto con el agua del circuito secundario. Esto evita que entren sustancias radiactivas en el segundo circuito del intercambiador de calor.

Y luego todo sucede como en una central térmica. El agua del segundo circuito se convierte en vapor. El vapor hace girar una turbina, que acciona un generador eléctrico, que produce corriente eléctrica.

En los reactores de agua pesada, el refrigerante es agua pesada D2O, y en los reactores con refrigerantes de metal líquido es metal fundido.

Sistema de control de reacción en cadena.

El estado actual del reactor se caracteriza por una cantidad llamada reactividad.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n yo / n yo -1 ,

Dónde k – factor de multiplicación de neutrones,

n yo - el número de neutrones de la próxima generación en la reacción de fisión nuclear,

n yo -1 , - el número de neutrones de la generación anterior en la misma reacción.

Si k ˃ 1 , la reacción en cadena crece, el sistema se llama supercrítico y. Si k< 1 , la reacción en cadena se extingue y el sistema se llama subcrítico. En k = 1 el reactor está en condición crítica estable, ya que el número de núcleos fisibles no cambia. En este estado la reactividad ρ = 0 .

El estado crítico del reactor (el factor de multiplicación de neutrones requerido en un reactor nuclear) se mantiene moviendo barras de control. El material del que están hechos incluye sustancias absorbentes de neutrones. Al extender o empujar estas varillas hacia el interior del núcleo, se controla la velocidad de la reacción de fisión nuclear.

El sistema de control proporciona control del reactor durante su arranque, parada programada, operación en potencia, así como protección de emergencia del reactor nuclear. Esto se logra cambiando la posición de las barras de control.

Si alguno de los parámetros del reactor (temperatura, presión, tasa de aumento de potencia, consumo de combustible, etc.) se desvía de la norma y esto puede provocar un accidente, se deben aplicar medidas especiales. barras de emergencia y la reacción nuclear se detiene rápidamente.

Asegurar que los parámetros del reactor cumplan con los estándares. sistemas de control y protección radiológica.

Para proteger el medio ambiente de la radiación radiactiva, el reactor está colocado dentro de una gruesa carcasa de hormigón.

Sistemas de control remoto

Todas las señales sobre el estado del reactor nuclear (temperatura del refrigerante, nivel de radiación en diferentes partes del reactor, etc.) se envían al panel de control del reactor y se procesan en sistemas informáticos. El operador recibe toda la información y recomendaciones necesarias para eliminar determinadas desviaciones.

Reactores rápidos

La diferencia entre los reactores de este tipo y los reactores de neutrones térmicos es que los neutrones rápidos que surgen después de la desintegración del uranio-235 no son frenados, sino que son absorbidos por el uranio-238 y su posterior conversión en plutonio-239. Por lo tanto, los reactores de neutrones rápidos se utilizan para producir plutonio-239 apto para armas y energía térmica, que los generadores de las centrales nucleares convierten en energía eléctrica.

El combustible nuclear de estos reactores es uranio-238 y la materia prima es uranio-235.

En el mineral de uranio natural, el 99,2745% es uranio-238. Cuando se absorbe un neutrón térmico, no se fisiona, sino que se convierte en un isótopo de uranio-239.

Algún tiempo después de la desintegración β, el uranio-239 se convierte en un núcleo de neptunio-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 mi

Después de la segunda desintegración β, se forma plutonio-239 fisionable:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Y finalmente, tras la desintegración alfa del núcleo de plutonio-239, se obtiene uranio-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 Él

En el núcleo del reactor se encuentran barras de combustible con materias primas (uranio enriquecido-235). Esta zona está rodeada por una zona de reproducción, que consta de barras de combustible con combustible (uranio empobrecido-238). Los neutrones rápidos emitidos desde el núcleo después de la desintegración del uranio-235 son capturados por los núcleos de uranio-238. Como resultado, se forma plutonio-239. Así, el nuevo combustible nuclear se produce en reactores de neutrones rápidos.

Los metales líquidos o sus mezclas se utilizan como refrigerantes en reactores nucleares de neutrones rápidos.

Clasificación y aplicación de reactores nucleares.

Los reactores nucleares se utilizan principalmente en centrales nucleares. Con su ayuda se produce energía eléctrica y térmica a escala industrial. Estos reactores se denominan energía .

Los reactores nucleares se utilizan ampliamente en los sistemas de propulsión de los submarinos nucleares modernos, los buques de superficie y en la tecnología espacial. Suministran energía eléctrica a los motores y se denominan reactores de transporte .

Para la investigación científica en el campo de la física nuclear y la química de las radiaciones se utilizan flujos de neutrones y cuantos gamma, que se obtienen en el núcleo. reactores de investigación. La energía que generan no supera los 100 MW y no se utiliza con fines industriales.

Fuerza reactores experimentales aún menos. Alcanza un valor de sólo unos pocos kW. Estos reactores estudian diversas cantidades físicas, cuyo significado es importante en el diseño de reacciones nucleares.

A reactores industriales incluyen reactores para producir isótopos radiactivos utilizados con fines médicos, así como en diversos campos de la industria y la tecnología. Los reactores de desalinización de agua de mar también se clasifican como reactores industriales.

La generación de energía nuclear es un método moderno y de rápido desarrollo para producir electricidad. ¿Sabes cómo funcionan las centrales nucleares? ¿Cuál es el principio de funcionamiento de una central nuclear? ¿Qué tipos de reactores nucleares existen hoy en día? Intentaremos considerar en detalle el esquema de funcionamiento de una central nuclear, profundizar en el diseño de un reactor nuclear y descubrir qué tan seguro es el método nuclear de generación de electricidad.

Cualquier estación es un recinto cerrado alejado de una zona residencial. En su territorio hay varios edificios. La estructura más importante es el edificio del reactor, junto a él se encuentra la sala de turbinas desde donde se controla el reactor y el edificio de seguridad.

El plan es imposible sin un reactor nuclear. Un reactor atómico (nuclear) es un dispositivo de central nuclear diseñado para organizar una reacción en cadena de fisión de neutrones con la liberación obligatoria de energía durante este proceso. Pero ¿cuál es el principio de funcionamiento de una central nuclear?

Toda la instalación del reactor se aloja en el edificio del reactor, una gran torre de hormigón que esconde el reactor y que contendrá todos los productos de la reacción nuclear en caso de accidente. Esta gran torre se denomina contención, cascarón hermético o zona de contención.

La zona hermética de los nuevos reactores tiene dos gruesos muros de hormigón: carcasas.
La capa exterior, de 80 cm de espesor, protege la zona de contención de las influencias externas.

La capa interior, de 1 metro y 20 cm de espesor, tiene cables de acero especiales que aumentan casi tres veces la resistencia del hormigón y evitarán que la estructura se desmorone. En su interior está revestido con una fina chapa de acero especial, que está diseñada para servir como protección adicional de la contención y, en caso de accidente, para no liberar el contenido del reactor fuera de la zona de contención.

Este diseño de la central nuclear le permite resistir un accidente aéreo de hasta 200 toneladas, un terremoto de magnitud 8, un tornado y un tsunami.

La primera carcasa sellada se construyó en la central nuclear estadounidense Connecticut Yankee en 1968.

La altura total de la zona de contención es de 50 a 60 metros.

¿En qué consiste un reactor nuclear?

Para comprender el principio de funcionamiento de un reactor nuclear y, por tanto, el principio de funcionamiento de una central nuclear, es necesario comprender los componentes del reactor.

• Zona activa. Esta es el área donde se colocan el combustible nuclear (generador de combustible) y el moderador. Los átomos de combustible (la mayoría de las veces el uranio es el combustible) sufren una reacción de fisión en cadena. El moderador está diseñado para controlar el proceso de fisión y permite la reacción requerida en términos de velocidad y fuerza.
• Reflector de neutrones. Un reflector rodea el núcleo. Consta del mismo material que el moderador. De hecho, se trata de una caja cuyo objetivo principal es evitar que los neutrones abandonen el núcleo y entren al medio ambiente.
• Refrigerante. El refrigerante debe absorber el calor liberado durante la fisión de los átomos de combustible y transferirlo a otras sustancias. El refrigerante determina en gran medida el diseño de una central nuclear. El refrigerante más popular en la actualidad es el agua.
  Sistema de control de reactores. Sensores y mecanismos que alimentan el reactor de una central nuclear.

Combustible para centrales nucleares.

¿Con qué funciona una central nuclear? El combustible para las centrales nucleares son elementos químicos con propiedades radiactivas. En todas las centrales nucleares, este elemento es el uranio.

El diseño de las centrales implica que las centrales nucleares funcionan con combustible compuesto complejo y no con un elemento químico puro. Y para extraer combustible de uranio del uranio natural cargado en un reactor nuclear, es necesario realizar muchas manipulaciones.

Uranio enriquecido

El uranio se compone de dos isótopos, es decir, contiene núcleos con diferentes masas. Fueron nombrados por el número de protones y neutrones isótopo -235 e isótopo-238. Los investigadores del siglo XX comenzaron a extraer uranio 235 del mineral, porque... era más fácil descomponer y transformar. Resultó que solo hay un 0,7% de ese uranio en la naturaleza (el porcentaje restante se destina al isótopo 238).

¿Qué hacer en este caso? Decidieron enriquecer uranio. El enriquecimiento de uranio es un proceso en el que quedan muchos isótopos 235x necesarios y pocos isótopos 238x innecesarios. La tarea de los enriquecedores de uranio es convertir un 0,7% en casi un 100% de uranio-235.

El uranio se puede enriquecer mediante dos tecnologías: difusión de gas o centrifugación de gas. Para utilizarlos, el uranio extraído del mineral se convierte a estado gaseoso. Está enriquecido en forma de gas.

polvo de uranio

El gas de uranio enriquecido se convierte en un estado sólido: dióxido de uranio. Este uranio 235 sólido puro aparece como grandes cristales blancos, que luego se trituran para obtener uranio en polvo.

tabletas de uranio

Las tabletas de uranio son discos de metal sólido, de un par de centímetros de largo. Para formar tales tabletas a partir de uranio en polvo, se mezcla con una sustancia, un plastificante, que mejora la calidad del prensado de las tabletas.

Los discos prensados ​​se hornean a una temperatura de 1200 grados Celsius durante más de un día para darle a las tabletas una fuerza especial y resistencia a las altas temperaturas. El funcionamiento de una central nuclear depende directamente de qué tan bien se comprime y hornea el combustible de uranio.

Las tabletas se hornean en cajas de molibdeno, porque Sólo este metal es capaz de no fundirse a temperaturas "infernales" de más de mil quinientos grados. Después de esto, el combustible de uranio para las centrales nucleares se considera listo.

¿Qué son TVEL y FA?

El núcleo del reactor parece un enorme disco o tubo con agujeros en las paredes (según el tipo de reactor), 5 veces más grande que el cuerpo humano. Estos agujeros contienen combustible de uranio, cuyos átomos llevan a cabo la reacción deseada.

Es imposible simplemente arrojar combustible al reactor, bueno, a menos que quieras provocar una explosión de toda la estación y un accidente con consecuencias para un par de estados cercanos. Por lo tanto, el combustible de uranio se coloca en barras de combustible y luego se recoge en conjuntos combustibles. ¿Qué significan estas abreviaturas?

• TVEL es un elemento combustible (no confundir con el mismo nombre de la empresa rusa que los produce). Es esencialmente un tubo de circonio largo y delgado hecho de aleaciones de circonio en el que se colocan tabletas de uranio. Es en las barras de combustible donde los átomos de uranio comienzan a interactuar entre sí, liberando calor durante la reacción.

Se eligió el circonio como material para la producción de barras de combustible debido a su refractariedad y propiedades anticorrosión.

El tipo de barras de combustible depende del tipo y estructura del reactor. Como regla general, la estructura y el propósito de las barras de combustible no cambian; la longitud y el ancho del tubo pueden ser diferentes.

La máquina carga más de 200 bolitas de uranio en un tubo de circonio. En total, en el reactor funcionan simultáneamente unos 10 millones de bolitas de uranio.
FA – conjunto combustible. Los trabajadores de centrales nucleares llaman a los conjuntos combustibles haces.

Básicamente, se trata de varias barras de combustible unidas entre sí. FA es el combustible nuclear terminado, con el que funciona una central nuclear. Son los conjuntos combustibles los que se cargan en el reactor nuclear. En un reactor se colocan entre 150 y 400 elementos combustibles.
Dependiendo del reactor en el que operarán los conjuntos combustibles, estos tienen diferentes formas. A veces, los paquetes se pliegan en forma cúbica, a veces en forma cilíndrica, a veces en forma hexagonal.

Un elemento combustible durante 4 años de funcionamiento produce la misma cantidad de energía que cuando se queman 670 vagones de carbón, 730 tanques de gas natural o 900 tanques cargados de petróleo.
Hoy en día, los elementos combustibles se producen principalmente en fábricas de Rusia, Francia, Estados Unidos y Japón.

Para transportar combustible para las centrales nucleares a otros países, los elementos combustibles se sellan en tubos metálicos largos y anchos, el aire se bombea fuera de los tubos y se transporta mediante máquinas especiales a bordo de aviones de carga.

El combustible nuclear para las centrales nucleares pesa prohibitivamente, porque... El uranio es uno de los metales más pesados ​​del planeta. Su gravedad específica es 2,5 veces mayor que la del acero.

Central nuclear: principio de funcionamiento

¿Cuál es el principio de funcionamiento de una central nuclear? El principio de funcionamiento de las centrales nucleares se basa en una reacción en cadena de fisión de átomos de una sustancia radiactiva: el uranio. Esta reacción ocurre en el núcleo de un reactor nuclear.

IMPORTANTE SABER:

Sin entrar en las complejidades de la física nuclear, el principio de funcionamiento de una central nuclear es el siguiente:
Después de la puesta en marcha de un reactor nuclear, se retiran de las barras de combustible barras absorbentes que impiden que el uranio reaccione.

Una vez que se retiran las barras, los neutrones de uranio comienzan a interactuar entre sí.

Cuando los neutrones chocan, se produce una mini explosión a nivel atómico, se libera energía y nacen nuevos neutrones, comienza a ocurrir una reacción en cadena. Este proceso genera calor.

El calor se transfiere al refrigerante. Dependiendo del tipo de refrigerante, se convierte en vapor o gas, que hace girar la turbina.

La turbina impulsa un generador eléctrico. Es él quien realmente genera la corriente eléctrica.

Si no se controla el proceso, los neutrones de uranio pueden chocar entre sí hasta hacer explotar el reactor y hacer añicos toda la central nuclear. El proceso está controlado por sensores informáticos. Detectan aumentos de temperatura o cambios de presión en el reactor y pueden detener automáticamente las reacciones.

¿En qué se diferencia el principio de funcionamiento de las centrales nucleares del de las centrales térmicas (centrales térmicas)?

Hay diferencias en el trabajo solo en las primeras etapas. En una central nuclear, el refrigerante recibe calor de la fisión de átomos de combustible de uranio; en una central térmica, el refrigerante recibe calor de la combustión de combustible orgánico (carbón, gas o petróleo). Después de que los átomos de uranio o el gas y el carbón han liberado calor, los esquemas de funcionamiento de las centrales nucleares y de las centrales térmicas son los mismos.

Tipos de reactores nucleares

El funcionamiento de una central nuclear depende exactamente de cómo funciona su reactor nuclear. Hoy en día existen dos tipos principales de reactores, los cuales se clasifican según el espectro de neuronas:
Un reactor de neutrones lento, también llamado reactor térmico.

Para su funcionamiento se utiliza uranio 235, que pasa por las etapas de enriquecimiento, creación de pastillas de uranio, etc. Hoy en día, la gran mayoría de los reactores utilizan neutrones lentos.
Reactor de neutrones rápidos.

Estos reactores son el futuro, porque... Trabajan con uranio-238, que en la naturaleza se encuentra a diez centavos la docena y no es necesario enriquecer este elemento. El único inconveniente de estos reactores son los altísimos costes de diseño, construcción y puesta en marcha. Hoy en día, los reactores de neutrones rápidos funcionan sólo en Rusia.

El refrigerante de los reactores de neutrones rápidos es mercurio, gas, sodio o plomo.

Los reactores de neutrones lentos, que hoy utilizan todas las centrales nucleares del mundo, también son de varios tipos.

La organización OIEA (Agencia Internacional de Energía Atómica) ha creado su propia clasificación, que se utiliza con mayor frecuencia en la industria mundial de la energía nuclear. Dado que el principio de funcionamiento de una central nuclear depende en gran medida de la elección del refrigerante y del moderador, la OIEA basó su clasificación en estas diferencias.

Desde un punto de vista químico, el óxido de deuterio es un moderador y refrigerante ideal, porque sus átomos interactúan más eficazmente con los neutrones de uranio en comparación con otras sustancias. En pocas palabras, el agua pesada realiza su tarea con pérdidas mínimas y resultados máximos. Sin embargo, su producción cuesta dinero, mientras que el agua habitual, "ligera" y familiar, es mucho más fácil de utilizar.

Algunos datos sobre los reactores nucleares...

¡Es interesante que la construcción de un reactor de central nuclear lleve al menos 3 años!
Para construir un reactor se necesita equipo que funcione con una corriente eléctrica de 210 kiloamperios, que es un millón de veces mayor que la corriente que puede matar a una persona.

Una carcasa (elemento estructural) de un reactor nuclear pesa 150 toneladas. Hay 6 de estos elementos en un reactor.

Reactor de agua a presión

Ya hemos descubierto cómo funciona una central nuclear en general; para poner todo en perspectiva, veamos cómo funciona el reactor nuclear de agua a presión más popular.
Hoy en día, en todo el mundo se utilizan reactores de agua a presión de generación 3+. Se consideran los más fiables y seguros.

Todos los reactores de agua a presión del mundo, durante todos los años de funcionamiento, ya han acumulado más de 1.000 años de funcionamiento sin problemas y nunca han dado desviaciones graves.

La estructura de las centrales nucleares que utilizan reactores de agua a presión implica que entre las barras de combustible circule agua destilada calentada a 320 grados. Para evitar que entre en estado de vapor, se mantiene a una presión de 160 atmósferas. El diagrama de la central nuclear lo llama agua del circuito primario.

El agua calentada ingresa al generador de vapor y cede su calor al agua del circuito secundario, después de lo cual “regresa” nuevamente al reactor. Exteriormente, parece que los tubos de agua del primer circuito están en contacto con otros tubos: el agua del segundo circuito se transfieren calor entre sí, pero las aguas no entran en contacto. Los tubos están en contacto.

Por lo tanto, se excluye la posibilidad de que la radiación ingrese al agua del circuito secundario, que luego participará en el proceso de generación de electricidad.

Seguridad operativa de la central nuclear

Habiendo aprendido el principio de funcionamiento de las centrales nucleares, debemos comprender cómo funciona la seguridad. La construcción de centrales nucleares hoy en día requiere una mayor atención a las normas de seguridad.
Los costes de seguridad de las centrales nucleares representan aproximadamente el 40% del coste total de la propia central.

El diseño de la central nuclear incluye 4 barreras físicas que impiden la liberación de sustancias radiactivas. ¿Qué se supone que deben hacer estas barreras? En el momento adecuado, poder detener la reacción nuclear, asegurar una eliminación constante de calor del núcleo y del propio reactor y evitar la liberación de radionucleidos más allá de la contención (zona hermética).

• La primera barrera es la resistencia de las bolitas de uranio. Es importante que no sean destruidos por las altas temperaturas en un reactor nuclear. Gran parte del funcionamiento de una central nuclear depende de cómo se “cuecen” las bolitas de uranio durante la etapa inicial de fabricación. Si las pastillas de combustible de uranio no se cuecen correctamente, las reacciones de los átomos de uranio en el reactor serán impredecibles.
• La segunda barrera es la estanqueidad de las barras de combustible. Los tubos de circonio deben sellarse herméticamente; si se rompe el sello, en el mejor de los casos el reactor se dañará y el trabajo se detendrá; en el peor, todo volará por los aires.
• La tercera barrera es una vasija de reactor de acero duradera. a, (esa misma gran torre - zona hermética) que “contiene” todos los procesos radiactivos. Si la carcasa resulta dañada, la radiación se escapará a la atmósfera.
• La cuarta barrera son las barras de protección de emergencia. Las barras con moderadores están suspendidas sobre el núcleo mediante imanes, que pueden absorber todos los neutrones en 2 segundos y detener la reacción en cadena.

Si a pesar del diseño de una central nuclear con muchos grados de protección, no es posible enfriar el núcleo del reactor en el momento adecuado y la temperatura del combustible aumenta a 2600 grados, entonces entra en juego la última esperanza del sistema de seguridad. - la llamada trampa de fusión.

El hecho es que a esta temperatura el fondo de la vasija del reactor se derretirá y todos los restos de combustible nuclear y estructuras fundidas fluirán hacia un "vidrio" especial suspendido sobre el núcleo del reactor.

La trampa de fusión está refrigerada y es ignífuga. Está lleno del llamado "material de sacrificio", que detiene gradualmente la reacción en cadena de fisión.

Así, el diseño de una central nuclear implica varios grados de protección, que eliminan casi por completo cualquier posibilidad de accidente.