6.2. Принцип роботи енергетичних ядерних реакторів аес

Використання ядерної енергії стало можливим завдяки відкриттю реакції ділення ядер важких елементів під впливом нейтронів і створенню спеціальних установок - ядерних реакторів для здійснення регульованої ланцюгової ядерної реакції, що сама підтримується.

По своїй будові атом складається з важкого ядра, що має позитивний електричний заряд і навколишніх його легких електронів з негативними електричними зарядами, що утворюють електронні оболонки. Ядро атома складається з протонів і нейтронів, які об'єднуються загальною назвою нуклон. Число електронів дорівнює числу протонів, так що в цілому атом нейтральний.

Число протонів в ядрі визначає, до якого хімічного елементу відноситься цей атом.

Нейтрони - електрична нейтральні частки ядра, їх кількість може бути різним. Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але що розрізняються по числу нейтронів, відносяться до різних різновидів, одного хімічного елементу і носять назву - ізотоп.

Щоб відрізнити ізотопи один від одного, до символу елементу приписують число, що вказує суму усіх часток ст. ядрі цього ізотопу. Так, наприклад, уран - 238 містить 92 протони і 146 нейтронів, в урані - 235 теж 92 протони, але 143 нейтрони.

Більшість нуклідів нестабільна - вони увесь час перетворюються на інші нукліди, і при кожному акті розпаду вивільняється енергія, яка передається далі у вигляді випромінювання.

Увесь процес мимовільного розпаду нестабільного нукліда, називається радіоактивним розпадом, а сам такий нуклід - радіонуклідом. Час, за який розпадається в середньому половина усіх радіонуклідів певного типу у будь-якому радіоактивному джерелі, називається періодом напіврозпаду.

Природний уран є сумішшю двох ізотопів урану - 235 і урану - 238. Основною речовиною, що ділиться, є уран - 235, зміст якого в природному урані складає усього 0,7%. Його ядра діляться під впливом як швидких, так і теплових нейтронів. Що ж до ядер урану - 238, зміст яких в природній суміші досягає 99,3%, то вони діляться тільки під впливом швидких нейтронів з енергією, більшою 1,1 МеВ.

Таким чином, ізотоп урану - 238 являється, в основному, поглиначем нейтронів і, отже, перешкоджає протіканню ланцюгової реакції ділення в ядрах урану - 235. Для її здійснення необхідно або збагатити природний уран більш ніж в 10 разів, збільшивши зміст урану - 235, або забезпечити в зоні реакції теплові швидкості нейтронів рівні 2200 м/с з енергією 0,025 еВ.

Такі умови можна створити, якщо природний уран помістити в речовину, яка ефективно уповільнює швидкі нейтрони, що утворюються при діленні урану - 235 до теплових енергій. Подібними уповільнювачами є вуглець (графіт), важка вода, берилій або оксид берилія. Звичайна вода має порівняно великий переріз захоплення теплових нейтронів і також може бути використана в якості уповільнювача при роботі реактора на збагаченому урані - 235.

Якщо певну кількість урану відповідним чином розподілити в просторі разом з уповільнювачем, то можна створити установку, що називається ядерним реактором. При цьому уран і уповільнювач розподілити в просторі так, щоб нейтрони, утворені при діленні ядер урану - 235, практично не поглиналися ядрами урану - 238, а встигли б сповільнитися до теплових енергій (0,025 еВ), минувши резонансні енергії (1-10 еВ), і розділити наступні ядра урану - 235, два почало новим нейтронам. У такій; установці розвиватиметься саме ланцюгова реакція ділень, що підтримується

Та частина реактора, в якій знаходиться ядерне паливо і де відбувається керована ланцюгова реакція ділення, називається активною зоною. Управління ланцюговою реакцією в реакторі здійснюється спеціальними регулюючими стержнями з кадмію або бору - речовин, які сильно поглинають нейтрони. Міняючи положення регулюючих стержнів в реакторі, можна уповільнити або прискорити течію ланцюгової реакції ділення, що відбувається.

Основним конструктивним елементом активної зони реактора є тепловиділяючий елемент (ТВЕЛ), в якому міститься ядерне паливо (уран - 235 і уран - 238) і протікає ядерна реакція ділення палива, в результаті якої виділяється тепло, що передається теплоносію. ТВЕЛ складається з сердечника і герметизуючої оболонки.

Сердечник ТВЕЛа є керамічною пігулкою діаметром 7,53 мм із спеченого двоокису урану (збагачений уран - 235 від 2,0-4,4%), який поміщають в герметизуючу оболонку. Такий сердечник із спеченого двоокису урану не деформується при глибокому вигоранні палива і не реагує з водою, внаслідок цього розгерметизація Твела в реакторі з водяним охолодженням не приводить попаданню урану в теплоносій

Герметизуюча оболонка виготовляється у вигляді трубки діаметром 9,1 мм, з товщиною стінки 0,6 мм із сплаву цирконію і 1% ніобію, забезпечує надійне відділення сердечника від теплоносія.

Для поліпшення теплообміну між сердечником і оболонкою здійснюють їх дифузне зчеплення або в проміжок між ними вводять газ, що добре проводить тепло (наприклад, гелій)

У одному ТВЕЛі міститься 1565 г ядерного палива. Час роботи його в активній зоні реактора досягає трьох років.

При роботі реакторів енергія, що вивільняється при діленні ядер, перетворюється на тепло і призводить до сильного нагрівання конструкційних елементів активної зони. Тому в реакторах передбачено безперервне відведення тепла з активної зони за допомогою теплоносіїв; звичайна вода, легкоплавкі рідкі метали (Na, K, Bi, Нg), деякі вуглеводи, гелій, вуглекислий газ.

Вода, вживана в якості теплоносія в енергетичних реакторах на теплових нейтронах, одночасно служить охолоджувачем і уповільнювачем. Проте щоб довести робочу температуру в активній зоні до 300⁰ С, необхідно підвищувати тиск води в реакторі до 10-16 МПа (100-160 атм.).

Нині використання атомної енергії, що вивільняється при діленні ядер в реакторі, йде в основному шляхом перетворення теплової енергії на електричну енергію. Більше 35% електроенергії в Україні виробляється на атомних електростанціях.