Da biste razumjeli princip rada i dizajn nuklearnog reaktora, morate napraviti kratak izlet u prošlost. Nuklearni reaktor je višestoljetni, iako neu potpunosti ostvaren san čovječanstva o neiscrpnom izvoru energije. Njen prastari „praroditelj“ je vatra od suhih grana, koja je nekada obasjavala i grejala svodove pećine u kojoj su naši daleki preci našli spas od hladnoće. Kasnije su ljudi savladali ugljovodonike - ugalj, škriljce, naftu i prirodni gas.
Počela je burna, ali kratkotrajna era pare, koju je zamijenila još fantastičnija era električne energije. Gradovi su bili ispunjeni svjetlošću, a radionice tutnjom do tada neviđenih mašina koje su pokretali elektromotori. Tada se činilo da je napredak dostigao svoj vrhunac.
Sve se promenilo kasno XIX stoljeća, kada je francuski hemičar Antoine Henri Becquerel slučajno otkrio da su soli uranijuma radioaktivne. 2 godine kasnije, njegovi sunarodnici Pierre Curie i njegova supruga Maria Sklodowska-Curie su od njih dobili radijum i polonijum, a njihov nivo radioaktivnosti bio je milione puta veći od nivoa torijuma i uranijuma.
Palicu je preuzeo Ernest Rutherford, koji je detaljno proučavao prirodu radioaktivnih zraka. Tako je počelo doba atoma, koji je na svijet donio svoje voljeno dijete - atomski reaktor.
Prvi nuklearni reaktor
“Prvorođenac” dolazi iz SAD-a. U decembru 1942. godine proizvedena je prva struja iz reaktora, koji je dobio ime po svom tvorcu, jednom od najvećih fizičara stoljeća, E. Fermiju. Tri godine kasnije, nuklearno postrojenje ZEEP zaživjelo je u Kanadi. “Bronza” je pripala prvom sovjetskom reaktoru F-1, lansiranom krajem 1946. I.V. Kurchatov postao je šef domaćeg nuklearnog projekta. Danas u svijetu uspješno radi više od 400 nuklearnih jedinica.
Vrste nuklearnih reaktora
Njihova glavna svrha je podržati kontroliranu nuklearnu reakciju koja proizvodi električnu energiju. Neki reaktori proizvode izotope. Ukratko, to su uređaji u čijim se dubinama neke tvari pretvaraju u druge uz oslobađanje velike količine toplinske energije. Ovo je neka vrsta "pećnice", gdje umjesto tradicionalni tipovi Gorivo „sagoreva“ izotope uranijuma – U-235, U-238 i plutonijum (Pu).
Za razliku od, na primjer, automobila dizajniranog za nekoliko vrsta benzina, svaka vrsta radioaktivnog goriva ima svoj tip reaktora. Ima ih dva - na sporim (sa U-235) i brzim (sa U-238 i Pu) neutronima. Većina nuklearnih elektrana ima reaktore sa sporim neutronima. Pored nuklearnih elektrana, instalacije „rade“ u istraživačkim centrima, na nuklearnim podmornicama itd.
Kako reaktor radi
Svi reaktori imaju približno isti krug. Njegovo „srce“ je aktivna zona. Može se otprilike uporediti sa ložištem konvencionalne peći. Samo umjesto ogrjevnog drva postoji nuklearno gorivo u obliku gorivnih elemenata s moderatorom - gorivim šipkama. Aktivna zona se nalazi unutar svojevrsne kapsule - reflektora neutrona. Gorivne šipke se „peru“ rashladnom tečnošću – vodom. Jer u “srcu” ima vrlo visoki nivo radioaktivnosti, okružen je pouzdanom zaštitom od zračenja.
Operateri kontroliraju rad instalacije pomoću dva kritičnih sistema– regulacija lančane reakcije i sistem daljinskog upravljanja. Ako se dogodi hitan slučaj, hitna zaštita se odmah aktivira.
Kako radi reaktor?
Atomski „plamen“ je nevidljiv, jer se procesi odvijaju na nivou nuklearne fisije. Tokom lančane reakcije, teška jezgra se raspadaju na manje fragmente, koji u pobuđenom stanju postaju izvori neutrona i drugih subatomskih čestica. Ali proces se tu ne završava. Neutroni se nastavljaju “cijepati”, uslijed čega se oslobađaju velike količine energije, odnosno ono zbog čega se grade nuklearne elektrane.
Glavni zadatak osoblja je održavanje lančane reakcije uz pomoć kontrolnih šipki na konstantnom, podesivom nivou. To je njegova glavna razlika od atomske bombe, gdje je proces nuklearnog raspada nekontroliran i odvija se brzo, u obliku snažne eksplozije.
Šta se desilo u nuklearnoj elektrani u Černobilu
Jedan od glavnih razloga katastrofe nuklearna elektrana u Černobilu u aprilu 1986. godine - grubo kršenje pravila sigurnosti u radu tokom redovnog održavanja na 4. bloku. Tada su 203 grafitne šipke istovremeno uklonjene iz jezgre umjesto 15 propisanih propisa. Kao rezultat toga, nekontrolirana lančana reakcija koja je započela završila je termalnom eksplozijom i potpunim uništenjem pogonske jedinice.
Reaktori nove generacije
Tokom protekle decenije, Rusija je postala jedan od lidera u globalnoj nuklearnoj energiji. On ovog trenutka Državna korporacija Rosatom gradi nuklearne elektrane u 12 zemalja, gdje se grade 34 elektrane. Ovako velika potražnja je dokaz visokog nivoa moderne ruske nuklearne tehnologije. Sljedeći na redu su novi reaktori 4. generacije.
"brest"
Jedan od njih je Brest, koji se razvija u sklopu projekta Breakthrough. Sad operativni sistemi sistemi otvorenog ciklusa rade na nisko obogaćenom uranijumu, koji ostavlja veliku količinu istrošenog goriva koje se mora odložiti, što iziskuje ogromne troškove. "Brest" - reaktor na brzim neutronima jedinstven je po svom zatvorenom ciklusu.
U njemu istrošeno gorivo, nakon odgovarajuće prerade u reaktoru na brzim neutronima, ponovo postaje punopravno gorivo koje se može ponovo utovariti u istu instalaciju.
Brest se odlikuje visokim nivoom sigurnosti. Nikada neće „eksplodirati“ čak ni u najtežoj nesreći, veoma je ekonomičan i ekološki prihvatljiv, jer ponovo koristi svoj „obnovljeni“ uranijum. Takođe se ne može koristiti za proizvodnju plutonijuma za oružje, što otvara najšire izglede za njegov izvoz.
VVER-1200
VVER-1200 je inovativni reaktor generacije 3+ kapaciteta 1150 MW. Zahvaljujući svojim jedinstvenim tehničkim mogućnostima, ima gotovo apsolutnu sigurnost u radu. Reaktor je obilno opremljen pasivnim sigurnosnim sistemima koji će raditi automatski čak i u nedostatku napajanja.
Jedan od njih je pasivni sistem odvođenja toplote, koji se automatski aktivira kada se reaktor potpuno isključi. U ovom slučaju predviđeni su hidraulički rezervoari za nuždu. Ako dođe do abnormalnog pada tlaka u primarnom krugu, velika količina vode koja sadrži bor počinje da se dovodi u reaktor, koji gasi nuklearnu reakciju i apsorbira neutrone.
Još jedan know-how nalazi se u donjem dijelu zaštitne školjke - „zamka“ za topljenje. Ako, kao rezultat nesreće, jezgro “procuri”, “zamka” neće dozvoliti da se zaštitna školjka sruši i spriječit će radioaktivne proizvode da uđu u tlo.
Napisane su stotine knjiga o istoriji nuklearnog sukoba supersila i dizajnu prvih nuklearnih bombi. Ali postoji mnogo mitova o modernom nuklearnom oružju. “Popular Mechanics” je odlučila da razjasni ovo pitanje i ispriča kako djeluje najrazornije oružje koje je čovjek izmislio.
Eksplozivni karakter
Jezgro uranijuma sadrži 92 protona. Prirodni uranijum je uglavnom mešavina dva izotopa: U238 (koji ima 146 neutrona u svom jezgru) i U235 (143 neutrona), sa samo 0,7% ovog drugog u prirodnom uranijumu. Hemijska svojstva izotopi su apsolutno identični, zato ih razdvajamo hemijske metode nemoguće, ali razlika u masama (235 i 238 jedinica) to omogućava fizičkim metodama: Mešavina uranijuma se pretvara u gas (uranijum heksafluorid) i zatim pumpa kroz bezbroj poroznih pregrada. Iako se izotopi uranijuma ne razlikuju ni po jednom izgled, niti hemijski, odvojeni su ponorom u svojstvima nuklearnih karaktera.
Proces fisije U238 je plaćeni proces: neutron koji dolazi izvana mora sa sobom donijeti energiju - 1 MeV ili više. A U235 je nesebičan: ništa nije potrebno od dolazećeg neutrona za pobudu i kasniji raspad, njegova vezana energija u jezgru je sasvim dovoljna.
Kada ga pogode neutroni, jezgro uranijuma-235 lako se rascijepi, proizvodeći nove neutrone. Pod određenim uvjetima počinje lančana reakcija.
Kada neutron udari u jezgro sposobno za fisiju, formira se nestabilno jedinjenje, ali se vrlo brzo (nakon 10−23−10−22 s) takvo jezgro raspada na dva fragmenta nejednake mase i „trenutno“ (unutar 10 −16−10− 14 c) emitiranje dva ili tri nova neutrona, tako da se vremenom broj fisijskih jezgara može umnožiti (ova reakcija se naziva lančana reakcija). To je moguće samo u U235, jer pohlepni U238 ne želi dijeliti od vlastitih neutrona, čija je energija reda veličine manja od 1 MeV. Kinetička energija čestica – proizvoda fisije – je mnogo redova veličine veća od energije oslobođene tokom bilo kog događaja hemijska reakcija, u kojem se sastav jezgara ne mijenja.
Metalni plutonijum postoji u šest faza, čija se gustina kreće od 14,7 do 19,8 kg/cm 3 . Na temperaturama ispod 119 stepeni Celzijusa postoji monoklinska alfa faza (19,8 kg/cm 3), ali je takav plutonijum vrlo krhak, au kubičnoj facecentrisanoj delta fazi (15,9) je plastičan i dobro obrađen (to je ovo faza koju pokušavaju sačuvati upotrebom legirajućih aditiva). Tokom detonacijske kompresije ne može doći do faznih prelaza – plutonijum je u stanju kvazi-tečnosti. Fazni prelazi su opasni tokom proizvodnje: kada velike veličine dijelova čak i uz malu promjenu gustine moguće je postići kritično stanje. Naravno, to će se dogoditi bez eksplozije - radni komad će se jednostavno zagrijati, ali može doći do oslobađanja nikla (a plutonij je vrlo toksičan).
Kritički sklop
Proizvodi fisije su nestabilni i potrebno im je dugo vremena da se „oporave“, emitujući različita zračenja (uključujući neutrone). Neutroni koji se emituju značajno vrijeme (do desetina sekundi) nakon fisije nazivaju se odloženi, a iako je njihov udio mali u odnosu na promptne (manje od 1%), uloga koju imaju u radu nuklearnih instalacija, je najvažnije.
Eksplozivna sočiva su stvorila konvergentni talas. Pouzdanost je osigurana parom detonatora u svakom bloku.
Proizvodi fisije, tokom brojnih sudara sa okolnim atomima, predaju im energiju, povećavajući temperaturu. Nakon što se neutroni pojave u sklopu koji sadrži fisijski materijal, snaga oslobađanja topline može se povećati ili smanjiti, a parametri sklopa u kojima je broj fisija u jedinici vremena konstantan nazivaju se kritičnim. Kritičnost sklopa može se održavati i velikim i malim brojem neutrona (pri odgovarajuće većoj ili manjoj snazi oslobađanja topline). Toplotna snaga se povećava ili pumpanjem dodatnih neutrona u kritični sklop izvana, ili tako što se sklop čini superkritičnim (tada se dodatni neutroni isporučuju iz sve brojnijih generacija fisijskih jezgara). Na primjer, ako je potrebno povećati toplinsku snagu reaktora, on se dovodi u režim gdje je svaka generacija brzih neutrona nešto manje brojna od prethodne, ali zahvaljujući odloženim neutronima, reaktor jedva primjetno prelazi u reaktor. kritično stanje. Tada se ne ubrzava, već polako dobija snagu – tako da se njeno povećanje može zaustaviti u pravom trenutku uvođenjem apsorbera neutrona (šipke koje sadrže kadmijum ili bor).
Plutonijumski sklop (sferični sloj u centru) bio je okružen kućištem od uranijuma-238, a zatim slojem aluminijuma.
Neutroni proizvedeni tokom fisije često lete pored okolnih jezgara bez izazivanja dalje fisije. Što je neutron bliže površini materijala, to je veća šansa da pobjegne iz fisijskog materijala i da se više nikada ne vrati. Stoga je oblik sklopa koji štedi najveći broj neutrona sfera: za datu masu materije ona ima minimalnu površinu. Neokružena (usamljena) lopta od 94% U235 bez šupljina u unutrašnjosti postaje kritična s masom od 49 kg i radijusom od 85 mm. Ako je sklop istog uranijuma cilindar dužine jednake prečniku, on postaje kritičan sa masom od 52 kg. Površina se također smanjuje s povećanjem gustine. Zbog toga eksplozivna kompresija, bez promjene količine fisionog materijala, može dovesti sklop u kritično stanje. Upravo ovaj proces leži u osnovi zajedničkog dizajna nuklearnog naboja.
Prvo nuklearno oružje koristilo je polonij i berilijum (u sredini) kao izvore neutrona.
Sastavljanje lopte
Ali najčešće se u nuklearnom oružju ne koristi uranijum, već plutonijum-239. Proizvodi se u reaktorima zračenjem uranijuma-238 snažnim tokovima neutrona. Plutonijum košta oko šest puta više od U235, ali kada se fisuje, jezgro Pu239 emituje u proseku 2.895 neutrona – više od U235 (2.452). Osim toga, vjerovatnoća fisije plutonijuma je veća. Sve to dovodi do činjenice da usamljena kugla Pu239 postaje kritična sa skoro tri puta manjom masom od lopte od uranijuma, i što je najvažnije, sa manjim radijusom, što omogućava smanjenje dimenzija kritičnog sklopa.
Za smanjenje talasa razrjeđivanja nakon detonacije eksploziva korišten je sloj aluminija.
Sklop se sastoji od dvije pažljivo postavljene polovice u obliku sfernog sloja (šuplje iznutra); očito je podkritična - čak i za termalne neutrone, pa čak i nakon što je okružena moderatorom. Punjenje je montirano oko sklopa vrlo precizno postavljenih eksplozivnih blokova. Da bi se sačuvali neutroni, potrebno je očuvati plemeniti oblik lopte tokom eksplozije - za to sloj eksploziva mora biti detoniran istovremeno po cijeloj svojoj vanjska površina, ravnomjerno pritiskajući sklop. Rašireno je mišljenje da je za to potrebno mnogo električnih detonatora. Ali to je bio slučaj samo u zoru „konstrukcije bombe“: da bi se pokrenulo mnogo desetina detonatora, bilo je potrebno mnogo energije i značajna veličina sistema za iniciranje. Moderna punjenja koriste nekoliko detonatora odabranih posebnom tehnikom, sličnih karakteristika, iz kojih se vrlo stabilni (u smislu brzine detonacije) aktiviraju eksplozivi u žljebovima izglodanim u polikarbonatnom sloju (čiji je oblik na sfernoj površini izračunat pomoću Riemannove geometrije metode). Detonacija brzinom od približno 8 km/s će putovati duž žljebova na apsolutno jednakim udaljenostima, u istom trenutku će doći do rupa i detonirati glavno punjenje - istovremeno na svim traženim tačkama.
Slike prikazuju prve trenutke života vatrene lopte nuklearnog naboja - difuzija zračenja (a), širenje vruće plazme i formiranje "plikova" (b) i povećanje snage zračenja u vidljivom opsegu tokom razdvajanja udarnog talasa (c).
Eksplozija unutra
Eksplozija usmjerena prema unutra komprimira sklop pod pritiskom većim od milion atmosfera. Površina sklopa se smanjuje i gotovo nestaje u plutoniju unutrašnja šupljina, gustoća raste, i vrlo brzo - u roku od deset mikrosekundi, kompresibilni sklop prolazi kritično stanje sa termalnim neutronima i postaje značajno superkritičan sa brzim neutronima.
Nakon perioda određenog neznatnim vremenom neznatnog usporavanja brzih neutrona, svaka njihova nova, brojnija generacija fisijom dodaje energiju od 202 MeV u supstancu sklopa, koja već pršti od monstruoznog pritiska. Na skali fenomena koji se dešavaju, čvrstoća čak i najboljih legiranih čelika je toliko mala da nikome ne pada na pamet da je uzme u obzir prilikom izračunavanja dinamike eksplozije. Jedina stvar koja sprječava sklop da se raspadne je inercija: da bi se kugla plutonijuma proširila za samo 1 cm u desetinama nanosekundi, potrebno je tvari dati ubrzanje koje je desetine triliona puta veće od ubrzanja slobodnog pada, a to nije lako.
Na kraju se materija i dalje raspršuje, fisija se zaustavlja, ali se proces tu ne završava: energija se preraspoređuje između jonizovanih fragmenata odvojenih jezgara i drugih čestica koje se emituju tokom fisije. Njihova energija je reda desetina, pa čak i stotina MeV, ali samo električno neutralni visokoenergetski gama kvanti i neutroni imaju šansu da izbjegnu interakciju s materijom i „pobjegnu“. Nabijene čestice brzo gube energiju u činovima sudara i jonizacije. U ovom slučaju emituje se zračenje - međutim, to više nije tvrdo nuklearno zračenje, već mekše, sa energijom tri reda veličine manjom, ali i dalje više nego dovoljnom da izbije elektrone iz atoma - ne samo iz vanjskih omotača, već i od svega uopšte. Mešavina golih jezgara, ogoljenih elektrona i zračenja gustine grama po kubnom centimetru (pokušajte zamisliti koliko dobro možete pocrniti pod svetlošću koja je poprimila gustinu aluminijuma!) - sve što je malopre bilo naelektrisanje - dolazi u neki privid ravnoteže. U veoma mladoj vatrenoj kugli, temperatura dostiže desetine miliona stepeni.
Vatrena lopta
Čini se da bi čak i meka radijacija koja se kreće brzinom svjetlosti trebala ostaviti materiju koja ga je stvorila daleko iza sebe, ali to nije tako: u hladnom zraku raspon kvanta Kev energija je centimetara, i oni se ne kreću u ravnu liniju, ali mijenjaju smjer kretanja, ponovno emitujući pri svakoj interakciji. Kvanti jonizuju vazduh i šire se kroz njega, kao sok od trešnje uliven u čašu vode. Ovaj fenomen se naziva radijativna difuzija.
Mlada vatrena lopta od eksplozije od 100 kt nekoliko desetina nanosekundi nakon završetka fisijskog praska ima radijus od 3 m i temperaturu od skoro 8 miliona Kelvina. Ali nakon 30 mikrosekundi njegov radijus je 18 m, iako temperatura pada ispod milion stepeni. Lopta proždire prostor, a jonizovani vazduh iza njene prednje strane se jedva kreće: zračenje joj ne može preneti značajan zamah tokom difuzije. Ali on pumpa ogromnu energiju u ovaj vazduh, zagrevajući ga, a kada energija zračenja ponestane, lopta počinje da raste usled širenja vrele plazme, pucajući iznutra od onoga što je nekada bilo naelektrisanje. Šireći se, poput naduvanog mjehura, plazma školjka postaje tanja. Za razliku od balona, naravno, ništa ga ne naduvava: sa unutra gotovo da nema materije, sva ona po inerciji leti iz centra, ali 30 mikrosekundi nakon eksplozije, brzina ovog leta je veća od 100 km/s, a hidrodinamički pritisak u materiji je veći od 150.000 atm! Postani previše tanka ljuska nije suđeno, puca, stvarajući „plikove“.
U vakuumskoj neutronskoj cijevi, impulsni napon od sto kilovolti primjenjuje se između mete zasićene tricijem (katode) 1 i anodnog sklopa 2. Kada je napon maksimalan, potrebno je da se joni deuterija nalaze između anode i katode, koje je potrebno ubrzati. Za to se koristi jonski izvor. Na njegovu anodu 3 primjenjuje se impuls paljenja, a pražnjenje, prolazeći duž površine keramike zasićene deuterijumom 4, formira ione deuterijuma. Ubrzavši, bombardiraju metu zasićenu tricijem, uslijed čega se oslobađa energija od 17,6 MeV i formiraju neutroni i jezgra helijuma-4. U smislu sastava čestica, pa čak i izlazne energije, ova reakcija je identična fuziji – procesu fuzije lakih jezgara. Pedesetih godina mnogi su tako vjerovali, ali se kasnije ispostavilo da se u cijevi događa "slom": ili proton ili neutron (koji čini ion deuterijuma, ubrzani električno polje) „zaglavi“ se u ciljnom jezgru (tricijum). Ako se proton zaglavi, neutron se odvaja i oslobađa se.
Koji od mehanizama za prijenos energije vatrene lopte okruženje prevladava, zavisi od snage eksplozije: ako je velika, glavnu ulogu igra difuzija zračenja ako je mala, veliku ulogu ima širenje plazma mjehurića. Jasno je da je moguć i srednji slučaj, kada su oba mehanizma efikasna.
Proces hvata nove slojeve zraka više nema dovoljno energije da se odvoje svi elektroni iz atoma. Energija ioniziranog sloja i fragmenata plazma mjehurića nestaje, oni više nisu u stanju da pomjere ogromnu masu ispred sebe i primjetno usporavaju. Ali ono što je bio vazduh pre eksplozije kreće se, odvajajući se od lopte, upijajući sve više i više slojeva hladnog vazduha... Počinje formiranje udarnog talasa.
Udarni talas i atomska gljiva
Kada se udarni val odvoji od vatrene lopte, karakteristike emitivnog sloja se mijenjaju i snaga zračenja u optičkom dijelu spektra naglo raste (tzv. prvi maksimum). Zatim se nadmeću procesi osvjetljenja i promjene prozirnosti okolnog zraka, što dovodi do ostvarenja drugog maksimuma, manje snažnog, ali mnogo dužeg – toliko da je izlaz svjetlosne energije veći nego u prvom maksimumu. .
Blizu eksplozije sve oko nje ispari, dalje se topi, ali još dalje, gdje protok topline više nije dovoljan za topljenje čvrste materije, tlo, stene, kuće teku kao tečnost pod monstruoznim pritiskom gasa, uništavajući sve čvrste veze, zagrejane do sjaja nepodnošljivog za oči.
Konačno, udarni val odlazi daleko od tačke eksplozije, gdje ostaje labav i oslabljen, ali mnogo puta proširen oblak kondenzovanih para koji se pretvorio u sićušnu i vrlo radioaktivnu prašinu od onoga što je bila plazma naboja, a od čega bio blizu u svom strašnom času mestu od kojeg treba ostati što je dalje moguće. Oblak počinje da se diže. Ona se hladi, mijenja boju, “navlači” bijeli klobuk kondenzovane vlage, praćen prašinom sa površine zemlje, formirajući “nogu” onoga što se obično naziva “atomska gljiva”.
Inicijacija neutrona
Pažljivi čitaoci mogu procijeniti oslobađanje energije tokom eksplozije sa olovkom u rukama. Kada je vrijeme kada je sklop u superkritičnom stanju reda mikrosekundi, starost neutrona je reda pikosekundi, a faktor množenja manji od 2, oslobađa se otprilike gigadžul energije, što je ekvivalentno ... 250 kg TNT-a. Gdje su kilogrami i megatoni?
Neutroni - spori i brzi
U nefisilnoj supstanci, "odbijajući" se od jezgara, neutroni im prenose dio svoje energije, što su jezgra lakše (mase im bliža) veća. Nego u više sudara, neutroni su uključeni, što više usporavaju, i konačno dolaze u termičku ravnotežu sa okolnom materijom - termaliziraju se (ovo traje milisekunde). Brzina termalnih neutrona je 2200 m/s (energija 0,025 eV). Neutroni mogu pobjeći iz moderatora i zarobljeni su njegovim jezgrama, ali s umjerenošću njihova sposobnost ulaska u nuklearne reakcije značajno raste, pa neutroni koji se ne „izgube“ više nego kompenziraju smanjenje broja.
Dakle, ako je lopta od fisionog materijala okružena moderatorom, mnogi neutroni će napustiti moderator ili će se u njemu apsorbirati, ali će biti i onih koji će se vratiti u lopticu („reflektirati“) i, izgubivši energiju, mnogo je vjerovatnije da će uzrokovati fisijske događaje. Ako je lopta okružena slojem berilija debljine 25 mm, tada se može uštedjeti 20 kg U235 i još uvijek postići kritično stanje sklopa. Ali takve uštede dolaze po cijenu vremena: svaka naredna generacija neutrona prvo mora usporiti prije nego što izazove fisiju. Ovo kašnjenje smanjuje broj generacija neutrona rođenih u jedinici vremena, što znači da je oslobađanje energije odgođeno. Što je manje fisionog materijala u sklopu, to je potrebno više moderatora da bi se razvila lančana reakcija, a fisija se događa sa neutronima sve niže energije. U ekstremnom slučaju, kada se kritičnost postiže samo termičkim neutronima, na primjer, u otopini soli uranijuma u dobrom moderatoru - vodi, masa sklopova je stotine grama, ali otopina jednostavno povremeno ključa. Oslobođeni mjehurići pare smanjuju prosječnu gustinu fisione tvari, lančana reakcija se zaustavlja, a kada mjehurići napuste tekućinu, izbijanje fisije se ponavlja (ako začepite posudu, para će je rasprsnuti - ali ovo će biti termalni eksplozija, lišena svih tipičnih "nuklearnih" znakova).
Činjenica je da fisijski lanac u sklopu ne počinje jednim neutronom: u potrebnoj mikrosekundi, milioni ih ubrizgavaju u superkritični sklop. U prvim nuklearnim nabojima za to su korišteni izvori izotopa smješteni u šupljini unutar plutonijskog sklopa: polonij-210 se u trenutku kompresije spojio s berilijumom i svojim alfa česticama izazivao emisiju neutrona. Ali svi izotopski izvori su prilično slabi (prvi američki proizvod proizveo je manje od milion neutrona u mikrosekundi), a polonijum je vrlo kvarljiv – smanjuje svoju aktivnost za polovinu za samo 138 dana. Stoga su izotopi zamijenjeni manje opasnim (koji ne emituju kada nisu uključeni), i što je najvažnije, neutronskim cijevima koje emituju intenzivnije (vidi bočnu traku): za nekoliko mikrosekundi (trajanje impulsa koji formira cijev ) rađaju se stotine miliona neutrona. Ali ako ne radi ili radi u pogrešno vrijeme, pojavit će se takozvani prasak ili "zik" - toplinska eksplozija male snage.
Neutronsko iniciranje ne samo da povećava oslobađanje energije nuklearne eksplozije za mnoge redove veličine, već i omogućava da se to regulira! Jasno je da, nakon što je dobio borbenu misiju, pri postavljanju koje mora biti naznačena snaga nuklearnog udara, nitko ne rastavlja punjenje kako bi ga opremio plutonijskim sklopom koji je optimalan za datu snagu. U municiji s promjenjivim TNT ekvivalentom, dovoljno je jednostavno promijeniti napon napajanja neutronske cijevi. U skladu s tim, prinos neutrona i oslobađanje energije će se promijeniti (naravno, kada se snaga smanji na ovaj način, gubi se mnogo skupog plutonijuma).
Ali o potrebi regulacije oslobađanja energije počeli su razmišljati mnogo kasnije, i to u prvom poslijeratnih godina nije moglo biti govora o smanjenju snage. Snažnije, moćnije i moćnije! Ali pokazalo se da postoje nuklearna fizička i hidrodinamička ograničenja na dozvoljene dimenzije podkritične sfere. TNT ekvivalent eksplozije od sto kilotona blizu je fizičkog ograničenja za jednofaznu municiju, u kojoj dolazi samo do fisije. Kao rezultat toga, fisija je napuštena kao glavni izvor energije, a oslanjali su se na reakcije druge klase - fuziju.
Nuklearni reaktor radi glatko i efikasno. U suprotnom, kao što znate, biće problema. Ali šta se dešava unutra? Pokušajmo ukratko, jasno, sa zaustavljanjima, formulirati princip rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora.
Zapravo, tamo se dešava isti proces kao i prilikom nuklearne eksplozije. Samo se eksplozija dogodi vrlo brzo, a u reaktoru se sve proteže dugo vrijeme. Kao rezultat, sve ostaje sigurno i zdravo, a mi primamo energiju. Ne toliko da bi sve okolo bilo uništeno odjednom, ali sasvim dovoljno da se grad opskrbi strujom.
Prije nego što shvatite kako dolazi do kontrolirane nuklearne reakcije, morate znati što je to nuklearna reakcija uopšte.
nuklearna reakcija je proces transformacije (podjele) atomska jezgra kada su u interakciji sa elementarnim česticama i gama zracima.
Nuklearne reakcije se mogu odvijati i sa apsorpcijom i oslobađanjem energije. Reaktor koristi drugu reakciju.
Nuklearni reaktor je uređaj čija je svrha održavanje kontrolirane nuklearne reakcije uz oslobađanje energije.
Često se nuklearni reaktor naziva i atomski reaktor. Napominjemo da ovdje nema fundamentalne razlike, ali sa stanovišta nauke ispravnije je koristiti riječ "nuklearni". Sada postoji mnogo vrsta nuklearnih reaktora. To su ogromni industrijski reaktori dizajnirani za proizvodnju energije u elektranama, nuklearni reaktori podmornica, mali eksperimentalni reaktori koji se koriste u naučnim eksperimentima. Postoje čak i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.
Istorija stvaranja nuklearnog reaktora
Prvi nuklearni reaktor pokrenut je ne tako daleke 1942. godine. To se dogodilo u SAD-u pod vodstvom Fermija. Ovaj reaktor se zvao Chicago Woodpile.
Godine 1946. počeo je sa radom prvi sovjetski reaktor, pokrenut pod vodstvom Kurčatova. Tijelo ovog reaktora bila je lopta prečnika sedam metara. Prvi reaktori nisu imali sistem hlađenja, a snaga im je bila minimalna. Inače, sovjetski reaktor imao je prosječnu snagu od 20 vati, a američki samo 1 vat. Poređenja radi: prosječna snaga modernih energetskih reaktora je 5 gigavata. Manje od deset godina nakon lansiranja prvog reaktora, prvog industrijskog u svijetu nuklearna elektrana u gradu Obninsku.
Princip rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora
Svaki nuklearni reaktor ima nekoliko dijelova: jezgro With gorivo I moderator , reflektor neutrona , rashladna tečnost , sistem kontrole i zaštite . Izotopi se najčešće koriste kao gorivo u reaktorima. uranijum (235, 238, 233), plutonijum (239) i torijum (232). Aktivna zona je kotao kroz koji protiče obična voda(rashladno sredstvo). Među ostalim rashladnim tečnostima, „teška voda“ i tečni grafit se rjeđe koriste. Ako govorimo o radu nuklearnih elektrana, tada se nuklearni reaktor koristi za proizvodnju topline. Sama električna energija se proizvodi istom metodom kao iu drugim tipovima elektrana - para rotira turbinu, a energija kretanja se pretvara u električnu energiju.
Ispod je dijagram rada nuklearnog reaktora.
Kao što smo već rekli, raspadom teškog jezgra uranijuma nastaju lakši elementi i nekoliko neutrona. Rezultirajući neutroni sudaraju se s drugim jezgrima, također uzrokujući njihovu fisiju. Istovremeno, broj neutrona raste poput lavine.
Ovdje treba spomenuti faktor umnožavanja neutrona . Dakle, ako ovaj koeficijent prelazi vrijednost jednaku jedan, nuklearna eksplozija. Ako je vrijednost manja od jedan, ima premalo neutrona i reakcija se gasi. Ali ako zadržite vrijednost koeficijenta jednaku jedan, reakcija će teći dugo i stabilno.
Pitanje je kako to učiniti? U reaktoru se gorivo nalazi u tzv gorivi elementi (TVELakh). To su štapići koji sadrže, u obliku malih tableta, nuklearno gorivo . Gorivne šipke su povezane u kasete šestougaonog oblika, kojih u reaktoru može biti na stotine. Kasete sa gorivim šipkama su raspoređene okomito, a svaki gorivni štap ima sistem koji omogućava podešavanje dubine njegovog uranjanja u jezgro. Pored samih kaseta, među njima su kontrolne šipke I šipke za zaštitu u nuždi . Štapovi su napravljeni od materijala koji dobro upija neutrone. Tako se kontrolne šipke mogu spustiti na različite dubine u jezgru, čime se podešava faktor umnožavanja neutrona. Šipke za hitne slučajeve su dizajnirane da isključe reaktor u slučaju nužde.
Kako se pokreće nuklearni reaktor?
Shvatili smo sam princip rada, ali kako pokrenuti i natjerati reaktor da funkcionira? Grubo rečeno, evo ga - komad uranijuma, ali lančana reakcija u njemu ne počinje sama. Činjenica je da u nuklearnoj fizici postoji koncept kritična masa .
Kritična masa je masa fisionog materijala potrebna za pokretanje nuklearne lančane reakcije.
Uz pomoć gorivnih i kontrolnih šipki u reaktoru se prvo stvara kritična masa nuklearnog goriva, a zatim se reaktor u nekoliko faza dovodi na optimalnu snagu.
U ovom članku pokušali smo vam dati opću predstavu o strukturi i principu rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora. Ako imate bilo kakva pitanja o ovoj temi ili vam je postavljen problem iz nuklearne fizike na fakultetu, kontaktirajte stručnjacima naše kompanije. Kao i obično, spremni smo da vam pomognemo da rešite bilo koji hitan problem u vezi sa vašim studiranjem. I dok smo već kod toga, evo još jednog edukativnog videa za vašu pažnju!
Nuklearna proizvodnja je moderan način proizvodnje električne energije koji se brzo razvija. Znate li kako rade nuklearne elektrane? Koji je princip rada nuklearne elektrane? Koje vrste nuklearnih reaktora danas postoje? Pokušat ćemo detaljno razmotriti shemu rada nuklearne elektrane, ući u strukturu nuklearnog reaktora i saznati koliko je siguran nuklearni način proizvodnje električne energije.
Svaka stanica je zatvoreno područje udaljeno od stambenog naselja. Na njenoj teritoriji nalazi se nekoliko objekata. Najvažnija građevina je zgrada reaktora, pored nje je turbinska prostorija iz koje se upravlja reaktorom, te sigurnosni objekat.
Shema je nemoguća bez nuklearnog reaktora. Atomski (nuklearni) reaktor je uređaj nuklearne elektrane koji je dizajniran da organizira lančanu reakciju fisije neutrona sa obavezna alokacija energije u ovom procesu. Ali koji je princip rada nuklearne elektrane?
Cijela reaktorska instalacija smještena je u zgradi reaktora, velikom betonskom tornju koji skriva reaktor i koji će sadržavati sve produkte nuklearne reakcije u slučaju nesreće. Ovaj veliki toranj se naziva zaštitom, hermetičkim omotačem ili zonom zadržavanja.
Hermetička zona u novim reaktorima ima 2 debela betonska zida - školjke.
Vanjski omotač debljine 80 cm štiti zonu zadržavanja od vanjskih utjecaja.
Unutrašnja školjka, debljine 1 metar 20 cm, ima posebne čelične sajle koje povećavaju čvrstoću betona skoro tri puta i sprečavaju rušenje konstrukcije. Sa unutrašnje strane je obložen tankim limom od specijalnog čelika, koji je dizajniran da služi dodatna zaštita kontejnment i u slučaju nesreće, ne ispuštati sadržaj reaktora van zone zaštićenja.
Ovakav dizajn nuklearne elektrane omogućava joj da izdrži pad aviona težine do 200 tona, potres magnitude 8, tornado i cunami.
Prva zatvorena školjka izgrađena je u američkoj nuklearnoj elektrani Connecticut Yankee 1968. godine.
Ukupna visina zone zadržavanja je 50-60 metara.
Od čega se sastoji nuklearni reaktor?
Da biste razumjeli princip rada nuklearnog reaktora, a time i princip rada nuklearne elektrane, morate razumjeti komponente reaktora. 
- Aktivna zona. Ovo je prostor u kojem se postavljaju nuklearno gorivo (generator goriva) i moderator. Atomi goriva (najčešće uranijum je gorivo) prolaze kroz lančanu reakciju fisije. Moderator je dizajniran da kontroliše proces fisije i omogućava potrebnu reakciju u smislu brzine i snage.
- Reflektor neutrona. Reflektor okružuje jezgro. Sastoji se od istog materijala kao i moderator. U suštini, ovo je kutija, čija je glavna svrha da spriječi neutrone da napuste jezgro i uđu u okolinu.
- Rashladna tečnost. Rashladno sredstvo mora apsorbirati toplinu oslobođenu tokom fisije atoma goriva i prenijeti je na druge tvari. Rashladno sredstvo u velikoj mjeri određuje kako će se projektirati nuklearna elektrana. Najpopularnija rashladna tekućina danas je voda.
Sistem upravljanja reaktorom. Senzori i mehanizmi koji napajaju reaktor nuklearne elektrane.
Gorivo za nuklearne elektrane
Na čemu radi nuklearna elektrana? Gorivo za nuklearne elektrane su hemijski elementi sa radioaktivnim svojstvima. U svim nuklearnim elektranama ovaj element je uranijum.
Dizajn stanica podrazumijeva da nuklearne elektrane rade na složenom kompozitnom gorivu, a ne na čistom hemijski element. A da bi se iz prirodnog uranijuma, koje se puni u nuklearni reaktor, izdvojilo uranijsko gorivo, potrebno je izvršiti mnoge manipulacije.
Obogaćeni uranijum
Uranijum se sastoji od dva izotopa, odnosno sadrži jezgra različite mase. Ime su dobili po broju protona i neutrona izotopa -235 i izotopa-238. Istraživači 20. veka počeli su da izvlače uranijum 235 iz rude, jer... bilo je lakše razgraditi i transformisati. Ispostavilo se da takvog uranijuma u prirodi ima samo 0,7% (preostali procenat ide na 238. izotop). 
Šta učiniti u ovom slučaju? Odlučili su da obogate uranijum. Obogaćivanje uranijuma je proces u kojem u njemu ostaje mnogo potrebnih izotopa 235x i nekoliko nepotrebnih izotopa 238x. Zadatak obogaćivača uranijuma je da 0,7% pretvore u skoro 100% uranijum-235.
Uranijum se može obogatiti korišćenjem dve tehnologije: gasne difuzije ili gasne centrifuge. Za njihovo korištenje, uran izvađen iz rude pretvara se u plinovito stanje. Obogaćen je u obliku gasa.
Uranijum u prahu
Gas obogaćeni uranijum se pretvara u čvrsto stanje - uranijum dioksid. Ovaj čisti čvrsti uranijum 235 izgleda kao veliki bijeli kristali, koji se kasnije drobe u prah uranijuma.
Uranijumske tablete
Uranijumske tablete su čvrsti metalni diskovi, dugi nekoliko centimetara. Za formiranje takvih tableta od uranovog praha, pomiješa se sa supstancom - plastifikatorom, poboljšava kvalitetu presovanja tableta.
Presovani pakovi se peku na temperaturi od 1200 stepeni Celzijusa više od jednog dana kako bi tablete dobile posebnu čvrstoću i otpornost na visoke temperature. Kako nuklearna elektrana radi direktno ovisi o tome koliko je dobro uranijsko gorivo komprimirano i pečeno. 
Tablete se peku u kutijama od molibdena, jer samo je ovaj metal sposoban da se ne topi na "paklenim" temperaturama od preko hiljadu i po stepeni. Nakon toga, uranijsko gorivo za nuklearne elektrane smatra se spremnim.
Šta su TVEL i FA?
Jezgra reaktora izgleda kao ogroman disk ili cijev sa rupama u zidovima (u zavisnosti od tipa reaktora), 5 puta veća ljudsko tijelo. Ove rupe sadrže gorivo uranijuma, čiji atomi izvode željenu reakciju.
Nemoguće je samo baciti gorivo u reaktor, pa, osim ako ne želite da eksplodira cijela stanica i nesreća sa posljedicama za nekoliko obližnjih država. Stoga se uranijumsko gorivo stavlja u gorivne šipke, a zatim skuplja u gorive sklopove. Šta znače ove skraćenice?
- TVEL – gorivi element (ne brkati sa istim imenom Ruska kompanija, koji ih proizvodi). To je u suštini tanka i duga cirkonijumska cijev napravljena od legura cirkonijuma u koju se stavljaju tablete uranijuma. Upravo u gorivim šipkama atomi uranijuma počinju da stupaju u interakciju jedni s drugima, oslobađajući toplinu tijekom reakcije.
Cirkonij je odabran kao materijal za proizvodnju gorivih šipki zbog svoje vatrostalnosti i antikorozivnih svojstava.
Vrsta gorivih šipki ovisi o vrsti i strukturi reaktora. U pravilu, struktura i namjena gorivih šipki se ne mijenjaju, dužina i širina cijevi mogu biti različite. 
Mašina ubacuje više od 200 uranijumskih peleta u jednu cirkonijumsku cijev. Ukupno, oko 10 miliona uranijumskih peleta istovremeno radi u reaktoru.
FA – gorivni sklop. Radnici u nuklearnim elektranama zovu snopove goriva.
U suštini, ovo je nekoliko gorivih šipki spojenih zajedno. FA je gotovo nuklearno gorivo, na čemu radi nuklearna elektrana. To su gorivi sklopovi koji se ubacuju u nuklearni reaktor. U jednom reaktoru se nalazi oko 150 – 400 gorivih sklopova.
Ovisno o reaktoru u kojem će gorivi sklopovi raditi, oni mogu biti različitih oblika. Ponekad su snopovi presavijeni u kubični, ponekad u cilindrični, ponekad u heksagonalni oblik.
Jedan gorivni sklop tokom 4 godine rada proizvodi istu količinu energije kao kada sagorijeva 670 automobila uglja, 730 rezervoara sa prirodnim gasom ili 900 rezervoara napunjenih naftom.
Danas se gorivi sklopovi proizvode uglavnom u tvornicama u Rusiji, Francuskoj, SAD-u i Japanu.
Za isporuku goriva za nuklearne elektrane u druge zemlje, gorivni sklopovi se zatvaraju u duge i široke metalne cijevi, iz cijevi se ispumpava zrak i specijalne mašine isporučeno u teretne avione.
Nuklearno gorivo za nuklearne elektrane teško je previsoko, jer... uranijum je jedan od najvećih teški metali na planeti. Njegovo specifična gravitacija 2,5 puta više od čelika.
Nuklearna elektrana: princip rada
Koji je princip rada nuklearne elektrane? Princip rada nuklearnih elektrana zasniva se na lančanoj reakciji fisije atoma radioaktivne supstance - uranijuma. Ova reakcija se odvija u jezgri nuklearnog reaktora.
VAŽNO JE ZNATI:
Ne ulazeći u zamršenosti nuklearne fizike, princip rada nuklearne elektrane izgleda ovako:
Nakon pokretanja nuklearnog reaktora, apsorberske šipke se uklanjaju iz gorivih šipki, koje sprječavaju reakciju urana.
Kada se šipke uklone, uranijumski neutroni počinju da stupaju u interakciju jedni s drugima.
Kada se neutroni sudare, dolazi do mini eksplozije na atomskom nivou, oslobađa se energija i rađaju se novi neutroni, počinje da se dešava lančana reakcija. Ovaj proces stvara toplinu.
Toplota se prenosi na rashladno sredstvo. Ovisno o vrsti rashladnog sredstva, pretvara se u paru ili plin, koji rotira turbinu.
Turbina pokreće električni generator. On je taj koji zapravo stvara električnu struju.
Ako ne pratite proces, uranijumski neutroni se mogu sudarati jedni s drugima sve dok ne eksplodiraju reaktor i razbiju cijelu nuklearnu elektranu u paramparčad. Procesom upravljaju kompjuterski senzori. Oni otkrivaju porast temperature ili promjene tlaka u reaktoru i mogu automatski zaustaviti reakcije.
Po čemu se princip rada nuklearnih elektrana razlikuje od termoelektrana (termoelektrana)?
Razlike u radu postoje samo u prvim fazama. U nuklearnoj elektrani rashladno sredstvo prima toplinu fisijom atoma uranovog goriva u termoelektrani, rashladno sredstvo prima toplinu izgaranjem organskog goriva (uglja, plina ili nafte). Nakon što su ili atomi urana ili plin i ugalj oslobodili toplinu, sheme rada nuklearnih elektrana i termoelektrana su iste.
Vrste nuklearnih reaktora
Kako radi nuklearna elektrana ovisi o tome kako radi njen nuklearni reaktor. Danas postoje dva glavna tipa reaktora, koji su klasifikovani prema spektru neurona:
Reaktor sa sporim neutronima, koji se još naziva i termalni reaktor.
Za njegov rad koristi se uranijum 235 koji prolazi kroz faze obogaćivanja, stvaranja uranijumskih peleta itd. Danas velika većina reaktora koristi spore neutrone.
Reaktor na brzim neutronima.
Ovi reaktori su budućnost, jer... Oni rade na uranijumu-238, koji je u prirodi desetka i nema potrebe za obogaćivanjem ovog elementa. Jedina mana takvih reaktora su veoma visoki troškovi projektovanja, izgradnje i puštanja u rad. Danas reaktori na brzim neutronima rade samo u Rusiji.
Rashladno sredstvo u reaktorima na brzim neutronima je živa, gas, natrijum ili olovo.
Reaktori sa sporim neutronima, koje danas koriste sve nuklearne elektrane u svijetu, također postoje u nekoliko vrsta.
Organizacija IAEA (međunarodna agencija za Nuklearna energija) kreirao je vlastitu klasifikaciju koja se najčešće koristi u svjetskoj industriji nuklearne energije. Budući da princip rada nuklearne elektrane u velikoj mjeri ovisi o izboru rashladnog sredstva i moderatora, IAEA je svoju klasifikaciju bazirala na ovim razlikama.
Sa hemijske tačke gledišta, deuterijum oksid je idealan moderator i rashladno sredstvo, jer njegovi atomi najefikasnije komuniciraju sa neutronima uranijuma u poređenju sa drugim supstancama. Jednostavno rečeno, teška voda svoj zadatak obavlja uz minimalne gubitke i maksimalne rezultate. Međutim, njegova proizvodnja košta, dok je običnu "laganu" i poznatu vodu mnogo lakše koristiti.
Nekoliko činjenica o nuklearnim reaktorima...
Zanimljivo je da je za izgradnju jednog reaktora nuklearne elektrane potrebno najmanje 3 godine!
Da biste izgradili reaktor, potrebna vam je oprema koja radi na električnu struju od 210 kiloampera, što je milion puta veće od struje koja može ubiti čovjeka.
Jedna ljuska (strukturni element) nuklearnog reaktora je teška 150 tona. U jednom reaktoru ima 6 takvih elemenata.
Reaktor vode pod pritiskom
Već smo saznali kako radi nuklearna elektrana općenito, da bismo sve stavili u perspektivu, pogledajmo kako radi najpopularniji nuklearni reaktor s vodom.
Širom svijeta danas se koriste reaktori s vodom pod pritiskom generacije 3+. Smatraju se najpouzdanijim i sigurnijim.
Svi reaktori sa vodom pod pritiskom u svijetu, tokom svih godina svog rada, već su akumulirali više od 1000 godina nesmetanog rada i nikada nisu dali ozbiljnija odstupanja. 
Struktura nuklearnih elektrana koje koriste reaktore s vodom pod pritiskom podrazumijeva da između gorivih šipki cirkulira destilirana voda zagrijana na 320 stupnjeva. Da bi se spriječilo da pređe u stanje pare, drži se pod pritiskom od 160 atmosfera. Dijagram nuklearne elektrane to naziva vodom primarnog kruga.
Zagrijana voda ulazi u generator pare i predaje svoju toplinu vodi sekundarnog kruga, nakon čega se ponovo „vraća“ u reaktor. Izvana izgleda kao da su cijevi za vodu prvog kruga u kontaktu s drugim cijevima - voda drugog kruga prenose toplinu jedna na drugu, ali vode ne dolaze u kontakt. Cijevi su u kontaktu.
Time je isključena mogućnost ulaska zračenja u vodu sekundarnog kruga, koja će dalje učestvovati u procesu proizvodnje električne energije.
Sigurnost rada NE
Pošto smo naučili princip rada nuklearnih elektrana, moramo razumjeti kako funkcionira sigurnost. Projektiranje nuklearnih elektrana danas zahtijeva povećanu pažnju sigurnosnih pravila.
Troškovi sigurnosti NEK čine oko 40% ukupnih troškova samog postrojenja. 
Projekt nuklearne elektrane uključuje 4 fizičke barijere koje sprječavaju ispuštanje radioaktivnih tvari. Šta bi ove barijere trebale da urade? U pravom trenutku moći zaustaviti nuklearnu reakciju, osigurati konstantno odvođenje topline iz jezgre i samog reaktora i spriječiti ispuštanje radionuklida izvan kontejnmenta (hermetička zona).
- Prva prepreka je snaga uranijumskih peleta. Važno je da ih ne unište visoke temperature u nuklearnom reaktoru. Mnogo toga kako nuklearna elektrana radi zavisi od toga kako se uranijumske pelete „peku” u početnoj fazi proizvodnje. Ako se pelete uranijumskog goriva ne ispeku pravilno, reakcije atoma uranijuma u reaktoru će biti nepredvidive.
- Druga prepreka je nepropusnost gorivih šipki. Cirkonijumske cijevi moraju biti dobro zapečaćene, ako se pečat pokvari, tada će se u najboljem slučaju reaktor oštetiti, a rad će u najgorem slučaju odletjeti u zrak;
- Treća barijera je izdržljiv čelični reaktorski sud a, (ta ista velika kula - hermetička zona) koja „drži“ sve radioaktivne procese. Ako je kućište oštećeno, zračenje će izaći u atmosferu.
- Četvrta barijera su šipke za zaštitu u slučaju nužde.Štapovi sa moderatorima su okačeni iznad jezgra pomoću magneta, koji mogu apsorbovati sve neutrone za 2 sekunde i zaustaviti lančanu reakciju.
Ako i pored izgradnje nuklearne elektrane sa više stepeni zaštite nije moguće rashladiti jezgro reaktora u pravom trenutku, a temperatura goriva poraste na 2600 stepeni, tada se zadnja nada sigurnosni sistemi - tzv.
Činjenica je da će se na ovoj temperaturi dno reaktorske posude otopiti, a svi ostaci nuklearnog goriva i rastopljenih struktura će teći u posebno "staklo" obješeno iznad jezgre reaktora.
Zamka za topljenje je rashlađena i vatrostalna. Ispunjen je takozvanim "žrtvenim materijalom", koji postepeno zaustavlja lančanu reakciju fisije.
Dakle, projekt nuklearne elektrane podrazumijeva nekoliko stupnjeva zaštite, koji gotovo u potpunosti eliminiraju svaku mogućnost nesreće.
Stotine hiljada poznatih i zaboravljenih oružara antike borilo se u potrazi za idealnim oružjem, sposobnim da ispari neprijateljsku vojsku jednim klikom. S vremena na vrijeme, trag ovih traženja može se pronaći u bajkama koje manje-više uvjerljivo opisuju čudotvorni mač ili luk koji pogađa bez promašaja.
Srećom, tehnološki napredak se dugo kretao tako sporo da je pravo oličenje razornog oružja ostalo u snovima i usmenim pričama, a kasnije i na stranicama knjiga. Naučno-tehnološki skok 19. veka stvorio je uslove za stvaranje glavne fobije 20. veka. Nuklearna bomba, stvorena i testirana u stvarnim uslovima, revolucionirala je i vojnu i politiku.
Istorija stvaranja oružja
Dugo se vjerovalo da se najmoćnije oružje može stvoriti samo uz pomoć eksploziva. Otkrića naučnika koji su radili sa najmanjim česticama pružila su naučne dokaze da uz pomoć elementarne čestice može se proizvesti ogromna energija. Prvi u nizu istraživača može se nazvati Becquerel, koji je 1896. otkrio radioaktivnost soli urana.
Sam uranijum je poznat od 1786. godine, ali tada niko nije sumnjao u njegovu radioaktivnost. Rad naučnika na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće otkrio je ne samo posebne fizička svojstva, ali i mogućnost dobijanja energije iz radioaktivnih supstanci.
Opciju izrade oružja na bazi uranijuma prvi su detaljno opisali, objavili i patentirali francuski fizičari Joliot-Curies 1939. godine.
Uprkos njegovoj vrijednosti za oružje, sami naučnici su se oštro protivili stvaranju tako razornog oružja.
Prošavši Drugi svjetski rat u pokretu otpora, 1950-ih par (Frederik i Irena), shvativši razornu moć rata, zalagao se za opšte razoružanje. Njih podržavaju Niels Bohr, Albert Einstein i drugi istaknuti fizičari tog vremena.
U međuvremenu, dok su Joliot-Curies bili zauzeti problemom nacista u Parizu, na drugom kraju planete, u Americi, razvijalo se prvo nuklearno punjenje na svijetu. Robert Openheimer, koji je vodio rad, dobio je najšira ovlaštenja i ogromne resurse. Kraj 1941. označio je početak projekta Manhattan, koji je na kraju doveo do stvaranja prve borbene nuklearne bojeve glave.
U gradu Los Alamosu u Novom Meksiku podignuti su prvi pogoni za proizvodnju uranijuma za oružje. U budućnosti isto nuklearni centri pojavljuju se širom zemlje, na primjer u Chicagu, u Oak Ridgeu, Tennessee, a studije su sprovedene u Kaliforniji. U stvaranje bombe bačene su najbolje snage profesora američkih univerziteta, kao i fizičara koji su pobjegli iz Njemačke.
U samom „Trećem Rajhu“ pokrenut je rad na stvaranju nove vrste oružja na način karakterističan za Firera.
Budući da je „Besnovaty” bio više zainteresovan za tenkove i avione, i što više, to bolje, nije video veliku potrebu za novom čudotvornom bombom.
Shodno tome, projekti koje Hitler nije podržavao kretali su se u najboljem slučaju brzinom puža.
Kada su se stvari zahuktale, a ispostavilo se da je istočni front progutao tenkove i avione, novo čudotvorno oružje dobilo je podršku. Ali bilo je prekasno u uslovima bombardovanja i stalnog straha od sovjetskih tenkova, nije bilo moguće stvoriti uređaj s nuklearnom komponentom.
Sovjetski savez bio više pažljiv na mogućnost stvaranja nove vrste destruktivnog oružja. U prijeratnom periodu fizičari su prikupili i konsolidirali opća znanja o nuklearnoj energiji i mogućnosti stvaranja nuklearnog oružja. Obavještajne službe su intenzivno radile tokom čitavog perioda stvaranja nuklearne bombe kako u SSSR-u tako iu SAD. Rat je odigrao značajnu ulogu u usporavanju tempa razvoja, jer su ogromni resursi odlazili na front.
Istina, akademik Igor Vasiljevič Kurčatov je svojom karakterističnom upornošću promovirao rad svih podređenih odjela u ovom pravcu. Gledajući malo unaprijed, on će imati zadatak da ubrza razvoj oružja suočeni s prijetnjom američkog udara na gradove SSSR-a. Upravo će on, koji stoji u šljunku ogromne mašine od stotina i hiljada naučnika i radnika, biti nagrađen počasnom titulom oca sovjetske nuklearne bombe.
Prvi svetski testovi
No, vratimo se američkom nuklearnom programu. Do ljeta 1945. američki naučnici uspjeli su stvoriti prvu nuklearnu bombu na svijetu. Svaki dječak koji je sam napravio ili kupio moćnu petardu u radnji doživljava izuzetne muke, želeći da je što prije digne u zrak. Godine 1945. stotine američkih vojnika i naučnika su iskusile istu stvar.
16. juna 1945. u pustinji Alamogordo u Novom Meksiku dogodila se prva proba nuklearnog oružja i jedna od najsnažnijih eksplozija do sada.
Očevici koji su iz bunkera gledali eksploziju bili su zadivljeni snagom kojom je naboj eksplodirao na vrhu 30-metarskog čeličnog tornja. U početku je sve bilo preplavljeno svjetlošću, nekoliko puta jačom od sunca. Tada se vatrena lopta podigla u nebo, pretvorivši se u stub dima koji je dobio oblik u čuvenu gljivu.
Čim se prašina slegla, istraživači i kreatori bombi požurili su na mjesto eksplozije. Gledali su posljedice iz tenkova Sherman optočenih olovom. Ono što su vidjeli ih je začudilo; Pijesak se na mjestima otopio u staklo.
Sićušni ostaci kule su takođe pronađeni u krateru ogromnog prečnika, osakaćene i zgnječene strukture jasno su ilustrovale razornu moć.
Štetni faktori
Ova eksplozija dala je prve informacije o snazi novog oružja, o tome čime bi moglo uništiti neprijatelja. Ovo je nekoliko faktora:
- svjetlosno zračenje, blic, sposoban da zaslijepi čak i zaštićene organe vida;
- udarni val, gusta struja zraka koja se kreće iz centra, uništavajući većinu zgrada;
- elektromagnetski impuls koji onesposobljava većinu opreme i ne dozvoljava korištenje komunikacija prvi put nakon eksplozije;
- prodorno zračenje, većina opasan faktor za one koji su se sklonili od drugih štetnih faktora, dijeli se na alfa-beta-gama zračenje;
- radioaktivna kontaminacija koja može negativno utjecati na zdravlje i život desetinama ili čak stotinama godina.
Daljnja upotreba nuklearnog oružja, uključujući i borbena, pokazala je sve posebnosti njihovog utjecaja na žive organizme i prirodu. 6. avgust 1945. bio je posljednji dan za desetine hiljada stanovnika malog grada Hirošime, tada poznatog po nekoliko važnih vojnih objekata.
Ishod rata pacifik bio je unaprijed dogovoren zaključak, ali Pentagon je vjerovao da će operacija na japanskom arhipelagu koštati više od milion života američkih marinaca. Odlučeno je da se jednim udarcem ubije nekoliko ptica, izvede Japan iz rata, štedeći na desantnoj operaciji, testira novo oružje i to objavi cijelom svijetu, a prije svega SSSR-u.
U jedan sat ujutru, avion sa nuklearnom bombom "Beba" poleteo je na zadatak.
Bomba bačena iznad grada eksplodirala je na visini od približno 600 metara u 8.15 sati. Sve zgrade koje se nalaze na udaljenosti od 800 metara od epicentra su uništene. Preživjeli su zidovi samo nekoliko zgrada, dizajniranih da izdrže potres jačine 9 stupnjeva.
Od svakih deset ljudi koji su se u trenutku eksplozije bombe nalazili u radijusu od 600 metara, samo je jedan mogao preživjeti. Svjetlosna radijacija pretvarala je ljude u ugalj, ostavljajući tragove sjene na kamenu, tamni otisak mjesta gdje se osoba nalazila. Eksplozivni talas koji je uslijedio bio je toliko jak da je mogao razbiti staklo na udaljenosti od 19 kilometara od mjesta eksplozije.
Jedan tinejdžer je izbačen iz kuće kroz prozor gustim mlazom vazduha, momak je video kako se zidovi kuće sklapaju kao karte. Talas eksplozije pratio je vatreni tornado, koji je uništio ono malo stanovnika koji su preživjeli eksploziju i nisu stigli napustiti zonu požara. Oni koji su bili udaljeni od eksplozije počeli su da doživljavaju tešku slabost, čiji uzrok lekarima u početku nije bio jasan.
Mnogo kasnije, nekoliko sedmica kasnije, objavljen je pojam „trovanja radijacijom“, danas poznat kao radijacijska bolest.
Više od 280 hiljada ljudi postalo je žrtvama samo jedne bombe, kako direktno od eksplozije, tako i od kasnijih bolesti.
Bombardovanje Japana nuklearnim oružjem se tu nije završilo. Prema planu, trebalo je da bude pogođeno samo četiri do šest gradova, ali vremenski uslovi su dozvolili da bude pogođen samo Nagasaki. U ovom gradu više od 150 hiljada ljudi postalo je žrtvama bombe Fat Man.
Obećanja Američka vlada izvođenje ovakvih napada prije nego što je japanska predaja dovela do primirja, a potom i do potpisivanja sporazuma koji je okončan Svjetski rat. Ali za nuklearno oružje ovo je bio samo početak.
Najmoćnija bomba na svetu
Poslijeratni period obilježila je konfrontacija između bloka SSSR-a i njegovih saveznika sa SAD i NATO-om. Tokom 1940-ih, Amerikanci su ozbiljno razmatrali mogućnost napada na Sovjetski Savez. Da bi se obuzdao bivši saveznik, rad na stvaranju bombe je morao biti ubrzan, a već 1949. godine, 29. avgusta, ukinut je američki monopol na nuklearno oružje. Tokom trke u naoružanju najviše pažnje zaslužuju dvije nuklearne probe.
Atol Bikini, poznat prvenstveno po neozbiljnim kupaćim kostimima, 1954. godine doslovno je odjeknuo svijetom zbog testiranja posebno snažnog nuklearnog punjenja.
Amerikanci, nakon što su odlučili testirati novi dizajn atomskog oružja, nisu izračunali naboj. Kao rezultat toga, eksplozija je bila 2,5 puta snažnija od planirane. Napadnuti su stanovnici obližnjih ostrva, kao i sveprisutni japanski ribari.
Ali to nije bila najmoćnija američka bomba. Godine 1960. nuklearna bomba B41 puštena je u upotrebu, ali nikada nije prošla puna testiranja zbog svoje snage. Snaga punjenja izračunata je teoretski, iz straha od eksplozije tako opasnog oružja na poligonu.
Sovjetski Savez, koji je volio da bude prvi u svemu, doživio je 1961. godine, inače nadimak "Kuzkina majka".
Odgovarajući na američku nuklearnu ucjenu, sovjetski naučnici stvorili su najmoćniju bombu na svijetu. Testiran na Novoj Zemlji, ostavio je trag u gotovo svim krajevima svijeta. Prema sjećanjima, u trenutku eksplozije u najudaljenijim krajevima osjetio se blagi potres.
Eksplozivni talas je, naravno, izgubio svu svoju razornu moć, mogao da kruži oko Zemlje. Do danas, ovo je najmoćnija nuklearna bomba na svijetu koju je stvorilo i testiralo čovječanstvo. Naravno, da su mu ruke slobodne, nuklearna bomba Kim Jong-una bila bi snažnija, ali on nema Novu Zemlju da je testira.
Uređaj za atomsku bombu
Razmotrimo vrlo primitivan, čisto za razumijevanje, uređaj atomske bombe. Postoji mnogo klasa atomskih bombi, ali razmotrimo tri glavne:
- uranijum, na bazi uranijuma 235, prvi put eksplodirao iznad Hirošime;
- plutonijum, zasnovan na plutonijumu 239, prvi put je eksplodirao iznad Nagasakija;
- termonuklearni, koji se ponekad naziva i vodonik, zasnovan na teškoj vodi sa deuterijumom i tricijumom, na sreću nije korišten protiv stanovništva.
Prve dvije bombe zasnovane su na efektu fisije teških jezgara na manje kroz nekontrolisanu nuklearnu reakciju, oslobađajući veliki iznos energije. Treći se zasniva na fuziji jezgara vodika (ili bolje rečeno njegovih izotopa deuterijuma i tricijuma) sa stvaranjem helijuma, koji je teži u odnosu na vodonik. Za istu težinu bombe, razorni potencijal hidrogenske bombe je 20 puta veći.
Ako je za uranijum i plutonijum dovoljno spojiti masu veću od kritične (na kojoj počinje lančana reakcija), onda za vodonik to nije dovoljno.
Za pouzdano povezivanje nekoliko komada uranijuma u jedan, koristi se efekat topa u kojem se manji komadi uranijuma gađaju u veće. Može se koristiti i barut, ali se radi pouzdanosti koriste eksplozivi male snage.
U plutonijumskoj bombi, da bi se stvorili neophodni uslovi za lančanu reakciju, eksploziv se postavlja oko ingota koji sadrže plutonijum. Zbog kumulativnog efekta, kao i inicijator neutrona koji se nalazi u samom centru (berilij sa nekoliko miligrama polonija) neophodne uslove se postižu.
Ima glavno punjenje koje ne može samo da eksplodira i osigurač. Da bismo stvorili uslove za fuziju jezgri deuterija i tricijuma, potrebni su nam nezamislivi pritisci i temperature u barem jednoj tački. Zatim će se dogoditi lančana reakcija.
Za stvaranje takvih parametara, bomba uključuje konvencionalno nuklearno punjenje male snage, a to je fitilj. Njegova detonacija stvara uslove za početak termonuklearne reakcije.
Za procjenu snage atomske bombe koristi se takozvani “TNT ekvivalent”. Eksplozija je oslobađanje energije, najpoznatiji eksploziv na svijetu je TNT (TNT - trinitrotoluene), a sve nove vrste eksploziva su izjednačene s njim. Bomba "Baby" - 13 kilotona TNT-a. To je ekvivalentno 13000.
Bomba "Debeli čovek" - 21 kilotona, "Car Bomba" - 58 megatona TNT-a. Zastrašujuće je i pomisliti na 58 miliona tona eksploziva koncentrisanih u masi od 26,5 tona, toliku težinu ima ova bomba.
Opasnost od nuklearnog rata i nuklearnih katastrofa
Pojavljujući se usred užasan rat XX vijeku, nuklearno oružje postalo je najveća opasnost za čovječanstvo. Odmah nakon Drugog svjetskog rata počeo je Hladni rat, koji je nekoliko puta gotovo eskalirao u punopravni nuklearni sukob. O prijetnji upotrebe nuklearnih bombi i projektila od barem jedne strane počelo se raspravljati još 1950-ih.
Svi su shvatili i razumiju da u ovom ratu ne može biti pobjednika.
Mnogi naučnici i političari su ulagali i ulažu napore da ga obuzdaju. Univerzitet u Čikagu, koristeći mišljenja pozvanih nuklearnih naučnika, uključujući Nobelovci, postavlja Sat Sudnjeg dana nekoliko minuta prije ponoći. Ponoć označava nuklearnu kataklizmu, početak novog svjetskog rata i uništenje starog svijeta. IN različite godine Kazaljke na satu su se kretale od 17 do 2 minute do ponoći.
Poznato je i nekoliko velikih nesreća koje su se dogodile u nuklearnim elektranama. Ove katastrofe imaju indirektnu vezu s nuklearnim elektranama i dalje se razlikuju od nuklearnih bombi, ali savršeno pokazuju rezultate upotrebe atoma u vojne svrhe. Najveći od njih:
- 1957, nesreća u Kyshtymu, zbog kvara na sistemu za skladištenje, došlo je do eksplozije u blizini Kyshtym-a;
- 1957, Britanija, na sjeverozapadu Engleske, nisu vršene sigurnosne provjere;
- 1979, SAD, zbog neblagovremeno otkrivenog curenja, došlo je do eksplozije i ispuštanja iz nuklearne elektrane;
- 1986, tragedija u Černobilju, eksplozija 4. bloka;
- 2011, nesreća na stanici Fukushima, Japan.
Svaka od ovih tragedija ostavila je težak trag u sudbini stotina hiljada ljudi i pretvorila čitava područja u nestambene zone sa posebnom kontrolom.
Bilo je incidenata koji su umalo koštali početak nuklearne katastrofe. Sovjetske nuklearne podmornice su u više navrata imale na brodu nesreće povezane s reaktorima. Amerikanci su bacili bombarder Superfortress sa dvije nuklearne bombe Mark 39 na brodu, snage 3,8 megatona. Ali aktivirani “sigurnosni sistem” nije dozvolio da punjenja eksplodiraju i katastrofa je izbjegnuta.
Nuklearno oružje prošlost i sadašnjost
Danas je to svakome jasno nuklearni rat uništiće moderno čovečanstvo. U međuvremenu, želja za posjedovanjem nuklearnog oružja i ulaskom u nuklearni klub, odnosno upadom u njega obaranjem vrata, još uvijek uzbuđuje umove nekih državnih čelnika.
Indija i Pakistan stvorili su nuklearno oružje bez dozvole, a Izraelci skrivaju prisustvo bombe.
Za neke je posjedovanje nuklearne bombe način da dokažu svoju važnost na međunarodnoj sceni. Za druge, to je garancija nemiješanja krilate demokratije ili drugih vanjskih faktora. Ali najvažnije je da te rezerve ne idu u posao, za šta su stvarno stvorene.
Video
