Застосування ядерної енергії, для отримання електроенергії відбувається за допомогою спеціальних складних апаратів, які звуться ядерними реакторами. В реакторі процес вивільнення енергії іде поступово, оскільки в ланцюговій реакції поділу нейтрони утворюються неодночасно. Більша їх частина утворюється через менш ніж 0.001 секунди – це так звані миттєві нейтрони. Інша частина (приблизно 0,7%) утворюється в середньому через 13 секунд – це запізнілі нейтрони. Саме вони дозволяють регулювати швидкість проходження ланцюгової реакції за допомогою спеціальних стержнів, які поглинають надлишок нейтронів. Вони вводяться в актину зону реактора і стабілізують на безпечному рівні процес розмноження нейтронів.
Що собою являє ядерний реактор?
Існують дві основні категорії реакторів – реактори на теплових (повільних) нейтронах і реактори на швидких нейтронах. Далі йтиме мова про реактори на теплових нейтронах.
Головна частина будь-якого реактора – активна зона, в яку завантажені тепловиділяючі елементи (ТВЕЛи). В цих елементах і відбувається ланцюгова реакція. ТВЕЛ реактора РБМК – це цирконієва трубка діаметром 10 мм і довжиною 3,5 м. В трубці вкладено таблетки двоокису урану (UO2). ТВЕЛи розміщені в уповільнювачі. В реакторах РБМК Чорнобильської АЕС за уповільнювач застосовують графіт. До речі, саме це погіршило тут аварійну ситуацію у квітні 1986 року. В інших конструкціях атомних реакторів за уповільнювач застосовується вода.
Тепло, що виділяється в ТВЕЛах у результаті поділу урану, відводиться теплоносієм (наприклад, водою). Теплоносій безперервно циркулює через активну зону. Через реактор РБМК-1 щогодини проходить 37500 м3 води. Керування роботою реактора здійснюється через систему управління і захисту (СУЗ). СУЗ забезпечує запуск і зупинку реактора та здійснює регулювання його потужності. Сюди належать стержні з речовиною, що сильно поглинає нейтрони (кадмій, бор та ін.). Введення стержнів в активну зону зупиняє реактор, виведення їх до потрібного рівня дає змогу запустити його і регулювати потужність. Для реакторів на теплових нейтронах характерна наявність в активній зоні уповільнювача (вода, графіт). У реакторах на швидких нейтронах уповільнювача немає, але є зона відтворення пального (банкет), яка оточує активну зону. Існує багато типів реакторів, які відрізняються конструкцією, типом теплоносія, енергією нейтронів, що використовуються, тощо.
Принципова схема будови ядерного реактору (активної зони) подано на малюнку.
Схема активної зони реактора РБМК-1:
1 – графітова кладка (уповільнювач); 2 – тепловиділяючий забірник, який складається з двох касет по 18 ТВЕЛів у кожному; 3 – канали для теплозйому і охолодження; 4 – регулюючі стержні; 5 – ядерне пальне (двоокис урану); завантаження 192 т урану, з них 1,8% урану-235.
Який тип реактору був встановлений на Чорнобильській АЕС?
На Чорнобильській АЕС було встановлено чотири реактори РБМК – 1000. Абревіатура РБМК, російською мовою, означає “реактор большой мощности канальний”. Цифра 1000 вказує на потужність енергетичної установки, яка здатна генерувати 1000 мегават електроенергії на годину. Потрібно зазначити, що ядерний реактор, окрім енергетичної потужності має теплову потужність виділення тепла в реакторі. Вона складає більше 3000 мегават. Застосовуючи ці два значення (значення теплової та енергетичної потужності) можна дуже легко розрахувати коефіцієнт корисної дії ядерного реактору РБМК-1000 – 31%.
Важливою особливістю будови РБМК є наявність каналів в активній зоні, по яким рухається теплоносій (вода). Тобто наявність, в товщі уповільнювача, каналів дає змогу рухатись теплоносію, який нагріваючись частково перетворюється в пар, який у свою чергу надходить до турбіни. Під тиском пару турбіна обертається та приводить у дію генератор, який і виробляє електричну енергію. Така схема генерації енергії дозволила сконструювати потужні реактори. Так, активна зона РБМК має вигляд вертикального циліндру висота якого 7 метрів, а діаметр 11,8 метрів. Увесь внутрішній об’єм реактору заповнений графітовими блоками розмірами 25x25x60 см3. Загальна вага графіту в реакторі складає 1850 тон.
Графітові блоки мають в центрі циліндричний отвір, через який проходить канал з водою, яка є теплоносієм. Графітові блоки, що розміщуються на периферії реактору не мають каналів та отворів. Ці блоки відіграють роль відбивача. Товщина цього шару один метр.
Графітова кладка оточена циліндричним металевим баком з водою. Він відіграє роль біологічного захисту. Графіт опирається на плиту із металоконструкцій і зверху він також закритий подібною плитою. Верхня плита, для захисту від випромінювання, накрита додатковим настилом.
В реакторі типу РБМК знаходиться 1661 канал в яких розміщено касети з ядерним паливом. Ядерне паливо – двоокис урану, який запечений у вигляді таблеток. Такі таблетки мають діаметр біля одного сантиметра та висотою півтора сантиметра. Таблетки збираються в колону в кількості двох сотень і завантажуються в ТВЕЛ. ТВЕЛ – пустотілий цирконієвий циліндр з домішками (1%) ніобію, довжиною 3,5 метрів та діаметром 13,5 мм. 36 твелів збирають у касету, яка вставляється в канал реактору. Загальна вага урану, який таким чином завантажується в реактор – 190 тон. В інших 211 каналах рухаються стежні-поглиначі.
Будова реактору РБМК
Загальна будова реактору РМБК:
1 – опорна металоконструкція;
2 – індивідуальні водяні трубопроводи;
3 – нижня металоконструкція;
4 – бічний біологічний захист;
5 – графітова кладка;
6 – барабан-сепаратор;
7 – індивідуальні пароводяні трубопроводи;
8 – верхня металоконструкція;
9 – розвантажно-завантажна машина;
10 – верхнє центральне перекриття;
11 – верхнє бічне перекриття;
12 – система контролю герметичності оболонок твелів;
13 – головний циркуляційний насос.
Літературні джерела:
Бар’яхтар В.Г. та ін. Радіація. Що ми про неї знаємо? / В.Г.Бар’яхтар, В.І. Стрижак, В.О.Поярков. К.: Наук.думка, 1991. – 32 с.
Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная фізика: В 2-х т. Т.1. Физика атомного ядра. – М.: Атомиздат, 1974 – 584 с.
Пристер Б.С., Лощилов Н.А., Немец О.Ф., Поярков В.А. Основы сельскохозяйственной радиологии. – Киев: Урожай, 1988. – 256 с.
