原子炉とは何ですか? 原子炉はどのように動作するのですか?

原子炉はスムーズかつ効率的に作動します。そうしないと、ご存知のとおり、問題が発生します。しかし、中で何が起こっているのでしょうか？停止を伴う原子炉の動作原理を簡潔に、明確に定式化してみましょう。

本質的に、そこでは核爆発時と同じプロセスが起こっています。爆発だけが非常に早く起こり、原子炉内ではすべてが広がります。長い間。その結果、すべてが安全かつ健全に保たれ、私たちはエネルギーを受け取ります。周囲のすべてが一度に破壊されるほどではありませんが、都市に電力を供給するには十分です。

制御された核反応がどのように起こるかを理解する前に、それが何であるかを知る必要があります 核反応 全然。

核反応 原子核が素粒子およびガンマ量子と相互作用するときの原子核の変換 (分裂) のプロセスです。

核反応は、エネルギーの吸収と放出の両方で発生する可能性があります。リアクターは 2 番目の反応を使用します。

原子炉 エネルギーを放出しながら制御された核反応を維持することを目的とした装置です。

頻繁原子炉アトミックとも呼ばれます。ここで基本的な違いはありませんが、科学の観点からは「核」という言葉を使用する方が正しいことに注意してください。現在、原子炉には多くの種類があります。これらは、発電所でエネルギーを生成するために設計された巨大な工業用原子炉、潜水艦の原子炉、科学実験に使用される小型の実験用原子炉です。海水を淡水化するために使用される原子炉もあります。

原子炉の誕生の歴史

最初の原子炉は、それほど遠くない 1942 年に打ち上げられました。これはフェルミの指導の下、米国で起こった。この原子炉はシカゴ・ウッドパイルと呼ばれました。

1946年、クルチャトフの指導の下で打ち上げられたソ連最初の原子炉が運転を開始した。この原子炉の本体は直径 7 メートルの球体でした。最初の原子炉には冷却システムがなく、出力も最小限でした。ちなみに、ソ連の原子炉の平均出力は20ワットでしたが、アメリカの原子炉はわずか1ワットでした。 比較のために、現代の発電用原子炉の平均出力は 5 ギガワットです。 最初の原子炉の打ち上げから 10 年も経たないうちに、世界初の工業用原子力発電所がオブニンスク市に開設されました。

原子炉の動作原理

どの原子炉にも次のようないくつかの部分があります。芯と燃料そして モデレータ , 中性子反射体 , 冷却剤 , 制御および保護システム 。同位体は原子炉の燃料として最もよく使用されます。 ウラン (235, 238, 233), プルトニウム (239) と トリウム (232)。コアは通常の水（冷却水）が流れるボイラーです。他の冷却剤の中でも、「重水」と液体グラファイトはあまり一般的には使用されません。原子力発電所の運転について言えば、原子炉は熱を発生させるために使用されます。電気自体は、他のタイプの発電所と同じ方法で生成されます。蒸気がタービンを回転させ、その運動エネルギーが電気エネルギーに変換されます。

以下は原子炉の動作を示す図です。

すでに述べたように、重いウラン原子核の崩壊により、より軽い元素といくつかの中性子が生成されます。生じた中性子は他の原子核と衝突し、核分裂を引き起こします。同時に中性子の数も雪崩のように増えていきます。

ここで言及されるべきです 中性子増倍率 。したがって、この係数が 1 に等しい値を超えると、核爆発が発生します。値が 1 未満の場合、中性子の数が少なすぎるため、反応は停止します。しかし、係数の値を維持すると、 1に等しい反応が長く安定して進行します。

問題は、これをどのように行うかです。原子炉内では、燃料はいわゆる 燃料要素 （トヴェラフ）。これらは、次のような形状のロッドです。小さな錠剤位置した 核燃料 。燃料棒は六角形のカセットに接続されており、原子炉内には数百個もある場合があります。燃料棒が入ったカセットは垂直に配置されており、各燃料棒は炉心への浸漬深さを調整できるシステムを備えています。カセット自体に加えて、次のものが含まれます。 制御棒 そして 緊急保護棒 。棒は中性子をよく吸収する材料で作られています。したがって、制御棒は次の位置まで下げることができます。異なる深さ炉心内に存在し、それによって中性子の増倍率を調節します。緊急ロッドは、緊急時に原子炉を停止するように設計されています。

原子炉はどのようにして起動されるのでしょうか?

動作原理自体はわかったものの、どうやって原子炉を起動して機能させるのか？大まかに言えば、これはウランの一部ですが、連鎖反応はそれ自体で始まるわけではありません。実際のところ、核物理学には次のような概念があります。 クリティカルマス .

臨界質量とは、核連鎖反応を開始するために必要な核分裂性物質の質量です。

燃料棒と制御棒の助けを借りて、まず原子炉内で臨界量の核燃料が生成され、その後、原子炉はいくつかの段階で最適な出力レベルになります。

この記事では、あなたに提供しようとしました一般的なアイデア原子炉の構造と動作原理について。このテーマについて質問がある場合、または大学で原子核物理学の問題が出題された場合は、ご連絡ください。 当社の専門家へ。いつものように、私たちはあなたの学習に関する差し迫った問題の解決をお手伝いする準備ができています。それと同時に、もう 1 つの教育ビデオをご紹介しますので、ご注意ください。

この装置と動作原理は、自立核反応の初期化と制御に基づいています。研究ツールとして、放射性同位体を生成するため、また原子力発電所のエネルギー源として使用されます。

動作原理（簡単に）

これは、重い核が 2 つの小さな断片に分解されるプロセスを使用します。これらのフラグメントは高度に励起された状態にあり、中性子、その他の素粒子および光子を放出します。中性子は新たな核分裂を引き起こし、その結果さらに多くの核分裂が放出されるなどの現象が起こります。このような継続的な一連の分割を連鎖反応と呼びます。同時に目立ちますたくさんのエネルギーの生産が原子力発電所の使用の目的です。

原子炉の動作原理は、反応開始後非常に短い時間内に核分裂エネルギーの約 85% が放出されるというものです。残りは、中性子を放出した後の核分裂生成物の放射性崩壊によって生成されます。放射性崩壊は、原子がより安定した状態に達するプロセスです。分割が完了した後も継続されます。

原子爆弾では、物質の大部分が核分裂するまで連鎖反応の強度が増します。これは非常に急速に起こり、この種の爆弾に典型的な非常に強力な爆発を引き起こします。原子炉の設計と動作原理は、連鎖反応を制御されたほぼ一定のレベルに維持することに基づいています。原子爆弾のように爆発しないように設計されています。

連鎖反応と臨界性

核分裂炉の物理学では、連鎖反応は中性子を放出した後の核分裂の確率によって決まります。後者の人口が減少すると、最終的には分裂率がゼロになります。この場合、原子炉は亜臨界状態になります。中性子数が一定レベルに維持されれば、核分裂率は安定したままになります。原子炉は臨界状態に陥るだろう。最後に、中性子の数が時間の経過とともに増加すると、核分裂率と出力が増加します。炉心の状態は超臨界状態になります。

原子炉の動作原理は次のとおりです。打ち上げ前は中性子数はゼロに近い。その後、オペレーターは炉心から制御棒を取り外し、核分裂を増加させ、原子炉を一時的にオーバードライブ状態にします。危機的状況。定格出力に達した後、オペレーターは制御棒を部分的に戻し、中性子の数を調整します。その後、反応器は臨界状態に維持される。停止させる場合はロッドを奥まで差し込みます。これにより核分裂が抑制され、炉心は未臨界状態に移行します。

リアクターの種類

世界の原子力発電所のほとんどは発電所であり、発電機を駆動するタービンを回すのに必要な熱を生成します。研究用原子炉も数多くあり、原子力を動力とする潜水艦や水上艦を保有している国もあります。

エネルギー設備

このタイプのリアクターにはいくつかのタイプがありますが、幅広い用途軽水でデザインを見つけました。また、加圧水や沸騰水を使用することもできます。前者の場合、高圧液体は炉心の熱によって加熱され、蒸気発生器に入ります。そこで、一次回路からの熱が二次回路に伝達され、二次回路にも水が含まれます。最終的に生成された蒸気は、蒸気タービンサイクルの作動流体として機能します。

沸騰水型原子炉は、直接エネルギーサイクルの原理に基づいて動作します。コアを通過する水は中圧で沸騰します。飽和蒸気反応容器内にある一連の分離器と乾燥器を通過し、過熱状態になります。過熱された水蒸気は、タービンを回すための作動流体として使用されます。

高温ガス冷却

高温ガス冷却炉 (HTGR) は、その動作原理が黒鉛と燃料微小球の混合物を燃料として使用することに基づいている原子炉です。競合するデザインが 2 つあります。

ドイツの「充填」システムは、黒鉛シェル内の黒鉛と燃料の混合物である直径60 mmの球状燃料要素を使用します。
アメリカ版は、グラファイトの六角柱が組み合わさってコアを形成しています。

どちらの場合も、冷却剤は約 100 気圧の圧力下のヘリウムで構成されます。ドイツのシステムでは、ヘリウムは球状燃料要素の層の隙間を通過し、アメリカのシステムでは、ヘリウムは原子炉の中央ゾーンの軸に沿って配置された黒鉛プリズムの穴を通過します。グラファイトの昇華温度は非常に高く、ヘリウムは化学的に完全に不活性であるため、どちらのオプションも非常に高い温度で動作できます。高温ヘリウムは、ガスタービンの作動流体として高温で直接適用することも、その熱を利用して水循環蒸気を生成することもできます。

液体金属と動作原理

ナトリウム冷却高速炉は、1960 年代と 1970 年代に大きな注目を集めました。そのとき、急速に拡大する原子力産業のための燃料を生産するために、それらの繁殖能力がすぐに必要になるように思われました。 1980 年代にこの期待が非現実的であることが明らかになると、熱意は衰えました。しかし、このタイプの原子炉は米国、ロシア、フランス、英国、日本、ドイツで多数建設されている。それらのほとんどは、二酸化ウランまたは二酸化ウランと二酸化プルトニウムの混合物で動作します。しかし、米国では、金属燃料を使用して最大の成功が達成されました。

カンドゥ

カナダは天然ウランを使う原子炉に力を入れている。これにより、それを豊かにするために他国のサービスに頼る必要がなくなります。この政策の成果は重水素ウラン炉 (CANDU) です。重水で制御・冷却されます。原子炉の設計と動作原理は、低温の D 2 O が入った貯蔵所を使用することで構成されています。大気圧。炉心には天然ウラン燃料を含んだジルコニウム合金製のパイプが貫通しており、炉心を冷却する重水が循環している。電気は、重水中の核分裂熱を、蒸気発生器を循環する冷却材に伝達することによって生成されます。二次回路内の蒸気はその後、従来のタービンサイクルを通過します。

研究施設

のために科学研究ほとんどの場合、原子炉が使用され、その動作原理は水冷とアセンブリの形の板状ウラン燃料要素の使用です。数キロワットから数百メガワットまでの幅広い電力レベルで動作可能。研究炉の主な目的は発電ではないため、生成される熱エネルギー、炉心中性子の密度および公称エネルギーによって特徴付けられます。これらのパラメータは、研究炉が特定の研究を実施する能力を定量化するのに役立ちます。低電力システムは通常、大学で使用され、教育に使用されます。一方、高電力システムは、材料や性能のテスト、および一般研究のために研究室で必要とされます。

最も一般的なのは研究用原子炉で、その構造と動作原理は次のとおりです。その核は大きくて深い水たまりの底にあります。これにより、中性子ビームを導くことができるチャネルの観察と配置が簡素化されます。で低レベル冷却液の自然対流により、安全な動作状態を維持するために十分な熱が除去されるため、冷却液をポンプで汲み上げる必要はありません。熱交換器は通常、熱水が溜まるプールの表面または上部に設置されます。

船舶設備

原子炉の本来の主な用途は潜水艦での使用です。その主な利点は、化石燃料燃焼システムとは異なり、発電するために空気を必要としないことです。したがって、原子力潜水艦は長期間潜水したままにすることができますが、従来のディーゼル電気潜水艦は定期的に浮上して空中でエンジンを始動する必要があります。海軍艦艇に戦略的優位性を与えます。そのおかげで、外国の港や脆弱になりやすいタンカーから燃料を補給する必要はありません。

潜水艦の原子炉の動作原理は機密扱いになっています。しかし、米国では高濃縮ウランを使用し、軽水で減速して冷却することが知られている。最初の原子力潜水艦、USS ノーチラスの設計は、強力な研究施設に大きな影響を受けました。彼のユニークな機能非常に大きな反応度予備量があり、燃料を補給せずに長期間運転でき、停止後に再始動することができます。潜水艦の発電所は探知を避けるために非常に静かでなければなりません。さまざまなクラスの潜水艦の特定のニーズを満たすために、さまざまなモデルの発電所が作成されました。

アメリカ海軍の航空母艦は原子炉を使用しており、その動作原理は最大の潜水艦から借用されていると考えられています。デザインの詳細も公開されていない。

米国に加えて、英国、フランス、ロシア、中国、インドも原子力潜水艦を保有しています。いずれの場合も、デザインは公開されていませんが、すべて非常に似ていると考えられています。これは、それらに対する同じ要件の結果です。技術仕様。ロシアはまた、ソ連の潜水艦と同じ原子炉を使用する小規模な艦隊を保有している。

産業設備

生産目的には原子炉が使用され、その動作原理は低レベルのエネルギー生産で高い生産性を実現します。これは、炉心内にプルトニウムが長期間滞留すると、不要な 240 Pu が蓄積されるためです。

トリチウムの生産

現在、このようなシステムで生成される主な物質はトリチウム (3H または T) です。プルトニウム 239 の半減期は 24,100 年と長いため、この元素を使用する核兵器を保有する国では、その量が多くなる傾向があります。必要以上に。 239 Pu とは異なり、トリチウムの半減期は約 12 年です。したがって、必要な物資を維持するために、放射性同位体水素は継続的に生成する必要があります。例えば米国では、サバンナリバー（サウスカロライナ州）ではトリチウムを生成する重水炉が数基稼働している。

フローティングパワーユニット

遠隔の隔離された地域に電気と蒸気暖房を供給できる原子炉が開発されました。例えばロシアでは、北極に電力を供給するために特別に設計された小型発電所が利用されている。和解。中国では、10 MW HTR-10 が設置されている研究機関に熱と電力を供給しています。同様の機能を備えた小型の自動制御原子炉の開発がスウェーデンとカナダで進行中である。 1960 年から 1972 年にかけて、米陸軍はグリーンランドと南極の遠隔基地に電力を供給するために小型水炉を使用しました。それらは石油火力発電所に取って代わられました。

宇宙の征服

さらに、原子炉は電力供給と移動のために開発されました。宇宙空間。 1967 年から 1988 年の間ソビエト連邦は機器や遠隔測定に電力を供給するために小型核ユニットをコスモスシリーズ衛星に設置したが、この政策は批判の対象となっている。による少なくともこれらの衛星のうちの 1 つが地球の大気圏に突入し、その結果カナダの遠隔地が放射能汚染されました。米国が原子力衛星を打ち上げたのは、1965年に1機だけだった。しかし、長距離宇宙飛行、他の惑星の有人探査、または月の恒久基地での使用のためのプロジェクトは開発され続けています。これは必然的にガス冷却または液体金属原子炉となり、その物理的原理により、ラジエーターのサイズを最小限に抑えるために必要な可能な限り高い温度が提供されます。さらに、宇宙技術用の原子炉は、シールドに使用される材料の量を最小限に抑え、打ち上げおよび宇宙飛行中の重量を軽減するために、可能な限りコンパクトでなければなりません。燃料の供給により、宇宙飛行の全期間にわたって原子炉の動作が保証されます。

: ...非常にありふれたことですが、それでもまだ理解しやすい形式の情報が見つかりません - それがどのように機能するのか原子炉。仕事の原理と構造に関するすべてはすでに300回以上噛み砕かれており、明白ですが、燃料がどのようにして得られるのか、そしてそれが原子炉に入るまではなぜそれほど危険ではないのか、なぜ原子炉に入る前に反応しないのかは次のとおりです。原子炉に浸かりました！ - 結局のところ、内部のみが加熱されますが、燃料を装填する前は冷たくてすべてが正常であるため、要素の加熱の原因や影響などは完全には明らかではなく、できれば科学的ではありません）。

もちろん、このようなトピックを非科学的な方法で組み立てるのは難しいですが、やってみます。まず、これらの燃料棒が何であるかを理解しましょう。

核燃料は直径約 1 cm、高さ約 1.5 cm の黒い錠剤で、二酸化ウラン 235 が 2%、ウラン 238、236、239 が 98% 含まれています。どのような量の核燃料でも、核爆発の特徴である雪崩のような急速な核分裂反応には、60%を超えるウラン235の濃度が必要であるため、核爆発は起こりません。

200個の核燃料ペレットがジルコニウム金属製の管に装填される。このチューブの長さは3.5mです。直径1.35 cm このチューブは燃料要素と呼ばれます。 36本の燃料棒がカセットに組み立てられます（「アセンブリ」とも呼ばれます）。

RBMK 原子炉燃料要素設計: 1 - プラグ。 2 - 二酸化ウラン錠。 3 - ジルコニウムシェル。 4 - 春。 5 - ブッシング。 6 - ヒント。

物質の変換は、その物質にエネルギーが蓄えられている場合にのみ、自由エネルギーの放出を伴います。後者は、物質の微粒子が、遷移が存在する別の可能な状態よりも大きい静止エネルギーを有する状態にあることを意味する。自発的遷移は常にエネルギー障壁によって妨げられており、それを克服するには、微粒子は外部から一定量のエネルギー、つまり励起エネルギーを受け取る必要があります。外部エネルギー反応は、励起後の変換において、プロセスを励起するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが放出されるという事実にあります。エネルギー障壁を克服するには 2 つの方法があります。衝突する粒子の運動エネルギーによるもの、または結合する粒子の結合エネルギーによるものです。

エネルギー放出の巨視的なスケールを念頭に置くと、物質の粒子のすべて、または最初は少なくとも一部が、反応を励起するのに必要な運動エネルギーを持っている必要があります。これは、熱運動のエネルギーがプロセスの進行を制限するエネルギー閾値に近づく値まで媒体の温度を上昇させることによってのみ達成可能です。分子変化、つまり化学反応の場合、そのような上昇は通常数百ケルビンになりますが、核反応の場合は、衝突する原子核のクーロン障壁の高さが非常に高いため、少なくとも 107 K になります。核反応の熱励起は実際には、クーロン障壁が最小となる最も軽い原子核の合成中にのみ実行されます (熱核融合)。

粒子の結合による励起は、粒子の引力に内在する未使用の結合によって起こるため、大きな運動エネルギーを必要とせず、したがって媒体の温度にも依存しません。しかし、反応を励起するには粒子自体が必要です。そして、ここでもまた、個別の反応行為ではなく、巨視的なスケールでのエネルギーの生成を意味するのであれば、これは連鎖反応が起こった場合にのみ可能です。後者は、反応を励起する粒子が外部エネルギー反応の生成物として再び現れるときに発生します。

原子炉を制御および保護するには、炉心の高さ全体に沿って移動できる制御棒が使用されます。ロッドは、ホウ素やカドミウムなど、中性子を強く吸収する物質でできています。ロッドが深く挿入されると、中性子が強く吸収され、反応ゾーンから除去されるため、連鎖反応は不可能になります。

ロッドは制御パネルから遠隔操作されます。ロッドをわずかに動かすと、連鎖プロセスが進行したり消えたりします。このようにして、原子炉の出力が調整されます。

レニングラード原子力発電所、RBMK原子炉

原子炉運転開始：

で始まりの瞬間最初の燃料装填から時間が経過すると、原子炉内では核分裂連鎖反応が起こらず、原子炉は亜臨界状態になります。冷却水の温度が動作温度より大幅に低い。

ここですでに述べたように、連鎖反応が始まるには、核分裂性物質が臨界質量を形成する必要があります。十分な量十分に小さな空間内で物質が自発的に核分裂すること。核分裂中に放出される中性子の数が以下でなければならない条件。さらに多くの数中性子を吸収します。これは、ウラン 235 の含有量 (装填される燃料棒の量) を増やすか、中性子の速度を遅くしてウラン 235 核を通過しないようにすることで実現できます。

原子炉はいくつかの段階で電源が投入されます。反応度調整器の助けを借りて、原子炉は超臨界状態 Kef>1 に移行し、原子炉出力は公称出力の 1 ～ 2% のレベルに増加します。この段階では、反応器は冷却剤の動作パラメータまで加熱され、加熱速度は制限されます。加熱プロセス中、制御装置は出力を一定レベルに維持します。その後、循環ポンプが始動し、除熱システムが作動します。その後、原子炉出力は定格出力の 2 ～ 100% の範囲内の任意のレベルまで増加できます。

反応器が加熱されると、コア材料の温度と密度の変化により反応性が変化します。場合によっては、加熱中にコアとコアに出入りする制御要素の相対位置が変化し、制御要素の積極的な動きがない場合に反応性効果が生じることがあります。

固体の可動吸収要素による調節

反応性を迅速に変更するために、ほとんどの場合、固体の可動吸収体が使用されます。 RBMK 原子炉では、制御棒には直径 50 または 70 mm のアルミニウム合金管に封入された炭化ホウ素ブッシングが含まれています。各制御棒は別個のチャネルに配置され、制御および保護システム（制御および保護システム）回路からの水によって平均温度50℃で冷却されます。制御棒はその目的に応じてAZ（緊急保護システム）に分けられます。 ) ロッド; RBMK にはそのようなロッドが 24 個あります。自動制御棒 - 12 本、局所自動制御棒 - 12 本、手動制御棒 - 131 本、および短縮吸収棒 (USP) 32 本。ロッドは全部で211本あります。さらに、短くなったロッドは下からコアに挿入され、残りは上から挿入されます。

VVER 1000 リアクター 1 - 制御システムドライブ。 2 - 反応器カバー。 3 - 反応器本体。 4 - 保護パイプのブロック（BZT）。 5 - シャフト。 6 - コアエンクロージャ。 7 - 燃料集合体（FA）と制御棒。

可燃性吸収要素。

新しい燃料を装填した後の過剰な反応性を補うために、可燃性吸収材がよく使用されます。その動作原理は、燃料と同様に、中性子を捕捉した後、その後中性子の吸収を停止する（燃え尽きる）というものです。さらに、吸収体核による中性子の吸収の結果としての減少率は、燃料核の分裂の結果としての減少率以下である。炉心に1年間運転できるように設計された燃料を装填した場合、運転開始時の核分裂性燃料核の数が運転終了時よりも多くなるのは明らかであり、吸収装置を設置して過剰な反応度を補わなければなりません。核心にある。この目的に制御棒が使用される場合、燃料核の数が減少するにつれて制御棒を継続的に移動させなければなりません。可燃性吸収材の使用により、移動ロッドの使用が削減されます。現在、可燃性吸収剤は燃料ペレットの製造中に直接添加されることが多くなっています。

流体の反応性制御。

このような調整は、特にＶＶＥＲ型原子炉の運転中に使用され、１０Ｂ中性子吸収核を含むホウ酸Ｈ３ＢＯ３が冷却材に導入される。冷却剤経路内のホウ酸の濃度を変えることにより、炉心の反応性が変化します。原子炉運転の初期段階では燃料核が多く、酸濃度は最大となる。燃料が燃え尽きると、酸の濃度が減少します。

連鎖反応機構

原子炉は、運転開始時に反応度予備がある場合にのみ、所定の出力で長期間運転できます。例外は、外部熱中性子源を備えた未臨界原子炉です。結合反応性が減少すると、その反応性が解放されます。自然な原因原子炉の臨界状態が運転中のあらゆる瞬間に確実に維持されるようにします。初期反応度予備量は、臨界寸法を大幅に超える寸法で炉心を構築することによって生成されます。反応器が超臨界になるのを防ぐために、同時に増殖培地の k0 を人為的に低下させます。これは、中性子吸収物質を炉心に導入することによって達成され、その後、中性子吸収物質を炉心から除去することができる。連鎖反応制御要素と同様に、コア内の対応するチャネルを通って移動する 1 つまたは別の断面のロッドの材料に吸収性物質が含まれています。しかし、1 つ、2 つ、または数本のロッドが調整に十分である場合、初期の過剰反応性を補うためにロッドの数は数百に達する可能性があります。これらのロッドは補償ロッドと呼ばれます。制御ロッドと補償ロッドは、必ずしも異なる設計要素を表すわけではありません。多くの補償棒が制御棒になる可能性がありますが、両方の機能は異なります。制御棒は、いつでも臨界状態を維持し、原子炉を停止および起動し、ある出力レベルから別の出力レベルに移行できるように設計されています。これらすべての操作には、反応性の小さな変化が必要です。補償棒は炉心から徐々に取り外され、運転中ずっと臨界状態が保証されます。

場合によっては、制御棒は吸収性材料ではなく、核分裂性材料または散乱性材料で作られることがあります。熱反応器では、これらは主に中性子吸収体であり、効果的な高速中性子吸収体はありません。カドミウム、ハフニウムなどの吸収体は、最初の共鳴が熱領域に近いため、熱中性子のみを強く吸収します。後者以外では、吸収特性は他の物質と変わりません。例外はホウ素であり、その中性子吸収断面積は、l / v の法則に従って、指定された物質よりもはるかにゆっくりとエネルギーとともに減少します。したがって、ホウ素は、他の物質よりも弱いながらも高速中性子を吸収します。高速中性子炉の吸収材料は、可能であれば 10B 同位体で濃縮されたホウ素のみにすることができます。ホウ素に加えて、高速中性子炉の制御棒には核分裂性物質も使用されます。核分裂性物質で作られた補償棒は、中性子吸収棒と同じ機能を果たします。原子炉の反応性は自然には低下しますが、増加します。しかし、吸収体とは異なり、このようなロッドは原子炉の運転開始時に炉心の外側に配置され、その後炉心に導入されます。

高速炉で使用される散乱体材料はニッケルであり、高速中性子の散乱断面積が他の物質の断面積よりわずかに大きくなります。散乱体ロッドは炉心の周囲に沿って配置されており、対応するチャネルに散乱体ロッドが浸漬されると、炉心からの中性子漏れが減少し、その結果、反応度が増加します。いくつかの特殊な場合では、連鎖反応制御の目的は、中性子反射体の可動部品によって果たされ、それが移動すると、炉心からの中性子の漏れが変化します。制御棒、補償棒、緊急棒は、それらの正常な機能を保証するすべての機器とともに、原子炉制御および保護システム (CPS) を形成します。

緊急時の保護:

原子炉の緊急保護は、炉心内の核連鎖反応を迅速に停止するように設計された一連の装置です。

アクティブ緊急保護は、原子炉のパラメーターの 1 つが事故につながる可能性のある値に達したときに自動的にトリガーされます。このようなパラメータには、温度、圧力、冷却剤の流れ、出力増加のレベルと速度が含まれます。

緊急防護の実行要素は、ほとんどの場合、中性子をよく吸収する物質 (ホウ素またはカドミウム) を備えた棒です。場合によっては、反応器を停止するために、液体吸収剤が冷却剤ループに注入されます。

アクティブな保護に加えて、多くの最新の設計にはパッシブな保護の要素も含まれています。たとえば、最新バージョンの VVER 原子炉には、「緊急炉心冷却システム」(ECCS)、つまり、ホウ酸原子炉の上にあります。最大設計基準事故（原子炉の第一冷却回路の破断）が発生した場合、これらのタンクの内容物は重力によって原子炉炉心の内部に到達し、核連鎖反応は大量のホウ素含有物質によって消滅します。、中性子をよく吸収します。

「原子炉施設原子力安全規則」による原子力発電所」に基づき、提供される原子炉停止システムの少なくとも 1 つは緊急保護 (EP) の機能を実行する必要があります。緊急保護には、少なくとも 2 つの独立した作業要素グループが必要です。 AZ 信号では、AZ 作動部品は任意の作動位置または中間位置から作動する必要があります。

AZ 機器は少なくとも 2 つの独立したセットで構成されている必要があります。

AZ 機器の各セットは、公称値の 7% から 120% までの中性子束密度の変化の範囲で保護が提供されるように設計する必要があります。

1. 中性子束密度による - 少なくとも 3 つの独立したチャネル;
2. 中性子束密度の増加率に応じて、少なくとも 3 つの独立したチャネル。

緊急保護装置の各セットは、原子炉プラント (RP) の設計で確立された技術パラメータの変化の全範囲にわたって、各技術パラメータに対して少なくとも 3 つの独立したチャネルによって緊急保護が提供されるように設計されなければなりません。保護が必要なもの。

AZ アクチュエータの各セットの制御コマンドは、少なくとも 2 つのチャネルを通じて送信する必要があります。 AZ 機器のセットのうちの 1 つのチャネルが、このセットの動作を停止せずに動作を停止した場合、このチャネルに対してアラーム信号が自動的に生成される必要があります。

少なくとも次の場合には、緊急保護を起動する必要があります。

1. 中性子束密度が AZ 設定に達したとき。
2. 中性子束密度の増加率が AZ 設定に達したとき。
3. 動作を停止していない緊急保護装置および CPS 電源バスのいずれかのセットで電圧が失われた場合。
4. 稼働を停止していない AZ 機器セットの中性子束密度または中性子束の増加率に対する 3 つの保護チャネルのうちの 2 つが故障した場合。
5. 保護を実行する必要がある技術パラメータが AZ 設定に達した場合。
6. ブロックコントロールポイント (BCP) またはリザーブコントロールポイント (RCP) からのキーから AZ をトリガーする場合。

おそらく誰かが、原子力発電所のユニットがどのようにして運転を開始するのかを、科学的ではない方法で簡単に説明できるでしょうか? :-)

次のようなトピックを覚えておいてください元の記事はWebサイトにあります InfoGlaz.rfこのコピーの元となった記事へのリンク -

20世紀半ば、人類の関心は原子と科学者による核反応の説明に集中し、当初人類はそれを軍事目的に利用することを決定し、マンハッタン計画に従って最初の核爆弾を発明した。しかし、20世紀の50年代には、ソ連の原子炉は平和目的に使用されました。 1954 年 6 月 27 日に、容量 5000 kW の世界初の原子力発電所が人類のサービスを開始したことはよく知られています。現在、原子炉は 4000 MW 以上、つまり半世紀前の 800 倍以上の発電を可能にしています。

原子炉とは何ですか: 基本的な定義とユニットの主なコンポーネント

原子炉は、制御された核反応を適切に維持した結果、エネルギーを生成する特別な装置です。「アトミック」という言葉を「リアクター」という言葉と組み合わせて使用することができます。多くの人は一般に、「核」と「原子」という概念を同義であると考えています。なぜなら、それらの間に根本的な違いが見出されないからです。しかし、科学の代表者は、より正しい組み合わせ、つまり「原子炉」を好む傾向があります。

面白い 事実！核反応は、エネルギーの放出または吸収によって発生することがあります。

原子炉の設計における主なコンポーネントは次の要素です。

モデレータ;
制御棒;
ウラン同位体の濃縮混合物を含む棒。
放射線に対する特別な保護要素。
冷却剤。
蒸気発生器;
タービン;
発生器;
コンデンサ;
核燃料。

物理学者によって決定された原子炉動作の基本原理と、それが揺るぎない理由

原子炉の基本的な動作原理は、核反応の発現の特殊性に基づいています。標準的な物理連鎖核プロセスの瞬間に、粒子は原子核と相互作用し、その結果、科学者がガンマ量子と呼ぶ二次粒子が放出されて原子核は新しい原子核に変わります。核連鎖反応中に放出される大量の熱エネルギー。連鎖反応が起こる空間を炉心といいます。

面白い 事実！アクティブゾーンの外観はボイラーに似ており、通常の水が流れ、冷却剤として機能します。

中性子の損失を防ぐために、炉心領域は特殊な中性子反射体で囲まれています。その主な役割は、放出された中性子のほとんどを炉心に拒絶することです。通常、減速材として機能する同じ物質が反射材として使用されます。

原子炉の主な制御は特別な制御棒を使用して行われます。これらのロッドが炉心に導入され、ユニットの動作のためのすべての条件を作り出すことが知られています。通常、制御棒は以下から作られます。化学物質ホウ素とカドミウム。なぜこれらの特定の要素が使用されるのでしょうか? はい、それはすべて、ホウ素またはカドミウムが熱中性子を効果的に吸収できるためです。そして、打ち上げが計画されるとすぐに、原子炉の動作原理に従って、制御棒が炉心に挿入されます。彼らの主な任務は、中性子のかなりの部分を吸収し、それによって連鎖反応の進行を引き起こすことです。結果は望ましいレベルに達するはずです。出力が設定レベルを超えて増加すると、自動機械のスイッチがオンになり、必然的に制御棒が炉心の奥深くに浸漬されます。

したがって、制御棒または制御棒が遊んでいることが明らかになります。重要な役割熱原子炉の運転中。

また、中性子の漏れを減らすために、炉心は中性子反射体で囲まれており、自由に逃げる中性子のかなりの量が炉心に投げ込まれます。反射板には通常、減速材と同じ物質が使用されます。

この規格によれば、減速物質の原子核の質量は比較的小さいため、軽い原子核と衝突した場合、鎖内に存在する中性子は重い原子核と衝突した場合よりも多くのエネルギーを失います。最も一般的な減速材は、普通の水またはグラファイトです。

面白い 事実！核反応の過程にある中性子は非常に速い速度で移動するという特徴があるため、中性子のエネルギーの一部を失うのを促す減速材が必要です。

冷却材の目的は原子炉の中心部で生成されるエネルギーを除去することであるため、冷却材の助けなしでは正常に機能する原子炉は世界中に 1 つもありません。液体または気体は中性子を吸収できないため、冷却剤として使用する必要があります。小型原子炉の冷却材の例を挙げてみましょう。水、二酸化炭素、そして場合によっては液体金属ナトリウムも使用されます。

したがって、原子炉の動作原理は完全に連鎖反応とその過程の法則に基づいています。原子炉のすべてのコンポーネント (減速材、棒、冷却材、核燃料) は、割り当てられたタスクを実行し、原子炉の正常な動作を保証します。

原子炉に使用される燃料とこれらの化学元素が選ばれる理由

原子炉内の主燃料は、ウラン、プルトニウム、またはトリウムの同位体です。

1934 年に遡り、F. ジョリオ＝キュリーはウラン核の分裂過程を観察し、その結果として次のようなことに気づきました。化学反応ウラン原子核は、破片原子核と 2 つまたは 3 つの自由中性子に分けられます。これは、自由中性子が他のウラン原子核と結合し、別の核分裂を引き起こす可能性があることを意味します。そして、連鎖反応が予測するように、3 つのウラン原子核から 6 ～ 9 個の中性子が放出され、それらは再び新しく形成された原子核に加わります。など、無限に続きます。

覚えておくことが重要です!核分裂中に発生する中性子は、質量数235のウラン同位体の核分裂を引き起こす可能性があり、質量数238のウラン同位体の原子核を破壊するには、崩壊過程で生成されるエネルギーが不十分である可能性があります。。

ウラン番号 235 は自然界ではほとんど見つかりません。そのシェアはわずか 0.7% ですが、天然ウラン 238 はより広いニッチを占め、99.3% を占めています。

自然界に存在するウラン 235 の割合はこれほど小さいにもかかわらず、物理学者や化学者は依然としてそれを拒否することができません。なぜなら、それは原子炉の運転に最も効果的であり、人類のエネルギー生産コストを削減するからです。

最初の原子炉はいつ登場し、現在どこで一般的に使用されていますか?

1919 年に遡ると、ラザフォードがアルファ粒子と窒素原子の核の衝突の結果として移動する陽子の形成プロセスを発見し、説明したとき、物理学者はすでに勝利を収めていました。この発見は、窒素同位体原子核がアルファ粒子との衝突の結果、酸素同位体原子核に変化したことを意味した。

最初の原子炉が出現する前に、世界はすべてを支配するいくつかの新しい物理法則を学びました重要な側面核反応。したがって、1934 年に、F. ジョリオ＝キュリー、H. ハルバン、L. コワルスキーは、社会と世界の科学者界に、核反応の実行の可能性についての理論的仮定と証拠の根拠を初めて提案しました。すべての実験はウラン核の分裂の観察に関連していました。

1939 年、E. フェルミ、I. ジョリオ＝キュリー、O. ガン、O. フリッシュは、中性子が照射されたときのウラン原子核の核分裂反応を追跡しました。研究の過程で、科学者たちは、1つの加速された中性子がウラン原子核に衝突すると、既存の原子核が2つまたは3つの部分に分割されることを発見しました。

連鎖反応は 20 世紀半ばに実際に証明されました。科学者たちは 1939 年に、1 つのウラン原子核の核分裂が約 200 MeV のエネルギーを放出することを証明することに成功しました。しかし、約 165 MeV は断片核の運動エネルギーに割り当てられ、残りはガンマ量子によって持ち去られます。この発見は量子物理学に画期的な進歩をもたらしました。

E. フェルミはさらに数年間仕事と研究を続け、1942 年に米国で最初の原子炉を起動しました。実施されたプロジェクトは「シカゴ・ウッドパイル」と名付けられ、軌道に乗った。 1945 年 9 月 5 日、カナダは ZEEP 原子炉を打ち上げました。ヨーロッパ大陸もそれほど遅れておらず、同時に F-1 施設が建設されていました。そして、ロシア人にとってはもう一つの記念すべき日があります。1946年12月25日、モスクワでI.クルチャトフの指導の下、原子炉が打ち上げられました。これらは最も強力な原子炉ではありませんでしたが、これは人類が原子を習得する始まりでした。

平和目的のために、1954 年にソ連で科学原子炉が作られました。世界初の原子力発電所を備えた平和船である原子力砕氷船レーニン号は、1959 年にソ連で建造されました。そして我が国のもう一つの成果は原子力砕氷船「アルクティカ」です。この水上艦は世界で初めて北極点に到達した。これは1975年に起こりました。

最初の移動式原子炉は低速中性子を使用しました。

原子炉はどこで使用され、人類はどのようなタイプを使用しますか?

工業用原子炉。原子力発電所でエネルギーを生成するために使用されます。
原子力潜水艦の推進装置として機能する原子炉。
実験用（ポータブル、小型）反応器。現代では、それらなしでは一日も過ごすことはできません。科学的経験または研究。

今日、科学界は特殊な原子炉の助けを借りて脱塩する方法を学びました。海水、国民に高品質の飲料水を提供します。ロシアにはたくさんの原子炉が稼働している。したがって、統計によると、2018年の時点で、州内では約37台が稼働しています。

そして、分類によれば、次のようになります。

研究（歴史）。これらには、プルトニウム生産の実験場として作られたF-1ステーションが含まれます。 I.V. クルチャトフはF-1で働き、最初の物理的原子炉を率いました。
研究（活動中）。
武器庫。原子炉の例としては、最初の冷却付き原子炉として歴史に残る A-1 があります。過去の原子炉の出力は小さいですが、機能しています。
エネルギー。
船の。船舶や潜水艦では、必要性と技術的な実現可能性から、水冷または液体金属反応器が使用されることが知られています。
空間。例として、このインスタレーションを「エニセイ」と名付けましょう。宇宙船追加のエネルギーを抽出する必要がある場合に機能し、太陽電池パネルと同位体源を使用して取得する必要があります。

このように、原子炉のテーマは非常に広範であるため、次のことが必要です。ディープラーニングそして量子物理学の法則を理解すること。しかし、国家のエネルギーと経済にとっての原子炉の重要性は、間違いなく、すでに有用性と利益のオーラに包まれています。

現代世界における原子力エネルギーの重要性

原子力エネルギーは過去数十年にわたって大きな進歩を遂げ、多くの国にとって最も重要な電力源の 1 つとなっています。同時に、この業界の発展は、国民経済「平和な原子」が何百万人もの人々にとって本当の脅威にならないよう全力を尽くしている何万人もの科学者、技術者、一般労働者の多大な努力には価値がある。原子力発電所の真の核心は原子炉です。

原子炉誕生の歴史

最初のそのような装置は、米国で第二次世界大戦の真っ最中に、有名な科学者でエンジニアの E. フェルミによって製造されました。彼のせいで珍しい見た目、黒鉛ブロックを積み上げたような形をしたこの原子炉は、シカゴ・スタックと呼ばれていました。この装置がブロックの間に配置されたウランで動作することは注目に値します。

ソ連における原子炉の創設

我が国でも核問題が取り上げられました注目度が高まる。科学者の主な努力は原子の軍事利用に集中していたという事実にもかかわらず、彼らは得られた結果を平和目的に積極的に利用しました。コードネーム F-1 と呼ばれる最初の原子炉は、1946 年 12 月末に有名な物理学者 I. クルチャトフ率いる科学者グループによって建設されました。その重大な欠点は、冷却システムが存在しないことであったため、放出されるエネルギーの力は非常に微々たるものでした。同じ時にソ連の研究者彼らが始めた工事は完了し、その結果、わずか 8 年後にオブニンスク市に世界初の原子力発電所が稼働しました。

反応器の動作原理

原子炉は非常に複雑で危険な技術装置です。その動作原理は、ウランの崩壊中にいくつかの中性子が放出され、次に隣接するウラン原子から素粒子を叩き出すという事実に基づいています。この連鎖反応により、熱とガンマ線の形で大量のエネルギーが放出されます。同時に、この反応がいかなる方法でも制御されない場合、ウラン原子の分裂が起こるという事実を考慮する必要があります。短時間強力な爆発を引き起こし、望ましくない結果を招く可能性があります。

厳密に定義された制限内で反応を進行させるには、すごい価値原子炉装置を持っています。現在、そのような構造はそれぞれ、冷却剤が流れる一種のボイラーです。通常、この用途には水が使用されますが、液体黒鉛または重水を使用する原子力発電所もあります。何百もの特別な六角形のカセットがなければ、現代の原子炉を想像することは不可能です。それらには燃料生成要素が含まれており、そのチャネルを通って冷却剤が流れます。このカセットは、中性子を反射して連鎖反応を遅らせることができる特別な層でコーティングされています。

原子炉とその防護

いくつかのレベルの保護があります。本体自体に加えて、その上部は特殊な断熱材と生物学的保護材で覆われています。工学的な観点から見ると、この構造は強力な鉄筋コンクリート製バンカーであり、ドアは可能な限りしっかりと閉じられています。