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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Reattore nucleare a neutroni veloci. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano La prima centrale nucleare (NPP) al mondo, costruita nella città di Obninsk vicino a Mosca, ha preso corrente nel giugno 1954. La sua potenza era molto modesta: 5 MW. Tuttavia, ha svolto il ruolo di una struttura sperimentale, dove è stata accumulata esperienza nel funzionamento di future grandi centrali nucleari. Per la prima volta è stata dimostrata la possibilità di produrre energia elettrica basata sulla fissione dei nuclei di uranio, e non bruciando combustibili fossili e non con energia idraulica.
Le centrali nucleari utilizzano nuclei di elementi pesanti: uranio e plutonio. Durante la fissione nucleare, l'energia viene rilasciata: "funziona" nelle centrali nucleari. Ma puoi usare solo nuclei che hanno una certa massa: i nuclei degli isotopi. I nuclei atomici degli isotopi contengono lo stesso numero di protoni e un diverso numero di neutroni, motivo per cui i nuclei di diversi isotopi dello stesso elemento hanno masse diverse. L'uranio, ad esempio, ha 15 isotopi, ma solo l'uranio-235 è coinvolto nelle reazioni nucleari. La reazione di fissione procede come segue. Il nucleo di uranio si disintegra spontaneamente in diversi frammenti; tra loro ci sono particelle di alta energia - neutroni. In media, ci sono 10 neutroni ogni 25 decadimenti. Colpiscono i nuclei degli atomi vicini e li rompono, rilasciando neutroni e un'enorme quantità di calore. La fissione di un grammo di uranio rilascia tanto calore quanto la combustione di tre tonnellate di carbone. Lo spazio nel reattore in cui si trova il combustibile nucleare è chiamato nucleo. Qui i nuclei atomici dell'uranio si stanno fissione e viene rilasciata energia termica. Per proteggere il personale operativo dalle radiazioni nocive che accompagnano la reazione a catena, le pareti del reattore sono realizzate sufficientemente spesse. La velocità di una reazione nucleare a catena è controllata da barre di controllo costituite da una sostanza che assorbe i neutroni (il più delle volte è boro o cadmio). Più in profondità le barre vengono abbassate nel nucleo, più neutroni assorbono, meno neutroni sono coinvolti nella reazione e meno calore viene rilasciato. Al contrario, quando le barre di controllo vengono sollevate dal nucleo, il numero di neutroni coinvolti nella reazione aumenta, un numero crescente di atomi di uranio si fissino, liberando l'energia termica in essi nascosta. In caso di surriscaldamento del nocciolo, è previsto uno spegnimento di emergenza del reattore nucleare. Le barre di emergenza cadono rapidamente nel nucleo, assorbono intensamente i neutroni, la reazione a catena rallenta o si arresta. Il calore viene rimosso da un reattore nucleare utilizzando un refrigerante liquido o gassoso, che viene pompato attraverso il nucleo da pompe. Il vettore di calore può essere acqua, sodio metallico o sostanze gassose. Prende il calore dal combustibile nucleare e lo trasferisce allo scambiatore di calore. Questo sistema chiuso con un liquido di raffreddamento è chiamato circuito primario. Nello scambiatore di calore, il calore del circuito primario porta all'ebollizione l'acqua del circuito secondario. Il vapore risultante viene inviato ad una turbina o utilizzato per il riscaldamento di edifici industriali e residenziali.
Prima della catastrofe nella centrale nucleare di Chernobyl, gli scienziati sovietici affermarono con sicurezza che nei prossimi anni due tipi principali di reattori sarebbero stati ampiamente utilizzati nell'industria nucleare. Uno di questi, VVER, è un reattore di potenza raffreddato ad acqua e l'altro, RBMK, è un reattore ad alta potenza, canale. Entrambi i tipi sono correlati a reattori a neutroni lenti (termici). In un reattore ad acqua pressurizzata, la zona attiva è racchiusa in un'enorme cassa cilindrica in acciaio, di 4 metri di diametro e 15 metri di altezza, con pareti spesse e un coperchio massiccio. All'interno del case, la pressione raggiunge i 160 atmosfere. Il vettore di calore che rimuove il calore nella zona di reazione è l'acqua, che viene pompata attraverso le pompe. La stessa acqua funge anche da moderatore di neutroni. Nel generatore di vapore, riscalda e trasforma l'acqua secondaria in vapore. Il vapore entra nella turbina e la fa ruotare. Sia il primo che il secondo circuito sono chiusi. Una volta ogni sei mesi, il combustibile nucleare bruciato viene sostituito con uno nuovo, per il quale il reattore deve essere fermato e raffreddato. In Russia, Novovoronezh, Kola e altre centrali nucleari operano secondo questo schema. In RBMK, la grafite funge da moderatore e l'acqua è il refrigerante. Il vapore per la turbina viene prodotto direttamente nel reattore e lì restituito dopo essere stato utilizzato nella turbina. Il combustibile nel reattore può essere sostituito gradualmente, senza fermarlo o smorzarlo. La prima centrale nucleare di Obninsk al mondo appartiene a questo tipo. Le stazioni di alta potenza di Leningrado, Chernobyl, Kursk, Smolensk furono costruite secondo lo stesso schema. Uno dei gravi problemi delle centrali nucleari è lo smaltimento delle scorie nucleari. In Francia, ad esempio, lo fa una grande azienda, la Cogema. Il combustibile contenente uranio e plutonio, con grande cura, in appositi contenitori di trasporto - sigillati e refrigerati - viene inviato alla lavorazione, e i rifiuti - alla vetrificazione e all'interramento. "Ci hanno mostrato le singole fasi della lavorazione del combustibile importato dalle centrali nucleari con la massima cura", scrive I. Lagovsky sulla rivista Science and Life. "Scaricatori, una camera di scarico. Puoi guardarla attraverso la finestra. Lo spessore del vetro nella finestra è 1 metro e 20 centimetri "Un manipolatore alla finestra. Pulizia inimmaginabile intorno. Tuta bianca. Luce soffusa, palme e rose artificiali. Una serra con piante vere per rilassarsi dopo il lavoro nella zona. Armadi con controllo apparecchiature dell'AIEA - l'agenzia internazionale per l'energia atomica. La sala operatori - due semicerchi con display ", - da qui controllano lo scarico, il taglio, la dissoluzione, la vetrificazione. Tutte le operazioni, tutti i movimenti del contenitore si riflettono in sequenza sui display del Gli stessi capannoni per la lavorazione dei materiali ad alta attività sono piuttosto lontani, dall'altra parte della strada. I rifiuti vetrificati hanno un volume ridotto. Sono racchiusi in contenitori di acciaio e stoccati in pozzi ventilati fino a quando non vengono portati al luogo di sepoltura finale ... I container stessi sono un'opera d'arte ingegneristica, il cui scopo era costruire qualcosa che non può essere distrutto. Le piattaforme ferroviarie cariche di container sono state fatte deragliare, speronate a tutta velocità dai treni in arrivo, sono stati organizzati altri incidenti concepibili e inimmaginabili durante il trasporto: i container hanno resistito a tutto. Dopo il disastro di Chernobyl nel 1986, gli scienziati iniziarono a dubitare della sicurezza delle centrali nucleari e, in particolare, dei reattori di tipo RBMK. Il tipo VVER è più prospero in questo senso: l'incidente alla stazione americana Three Mile Island nel 1979, dove il nocciolo del reattore si è parzialmente sciolto, la radioattività non è andata oltre la nave. Il lungo funzionamento senza problemi delle centrali nucleari giapponesi parla a favore di VVER. E, tuttavia, c'è un'altra direzione che, secondo gli scienziati, è in grado di fornire calore e luce all'umanità per il prossimo millennio. Questo si riferisce ai reattori a neutroni veloci, o reattori autofertilizzanti. Usano l'uranio-238, ma non per l'energia, ma per il carburante. Questo isotopo assorbe bene i neutroni veloci e si trasforma in un altro elemento: il plutonio-239. I reattori a neutroni veloci sono molto compatti: non necessitano di moderatori o assorbitori - il loro ruolo è svolto dall'uranio-238. Sono chiamati reattori allevatori o allevatori (dalla parola inglese "razza" - moltiplicare). La riproduzione del combustibile nucleare consente di utilizzare l'uranio decine di volte in modo più completo, pertanto i reattori a neutroni veloci sono considerati una delle aree promettenti dell'energia nucleare. Nei reattori di questo tipo, oltre al calore, viene prodotto anche combustibile nucleare secondario, che potrà essere utilizzato in futuro. Qui, né nel primo né nel secondo circuito c'è alta pressione. Il liquido di raffreddamento è sodio liquido. Circola nel circuito primario, si riscalda e cede calore al sodio nel secondo circuito, che a sua volta riscalda l'acqua nel circuito vapore-acqua trasformandola in vapore. Gli scambiatori di calore sono isolati dal reattore. Una di queste promettenti stazioni - le fu dato il nome Monju - fu costruita nella regione di Shiraki, sulla costa del Mar del Giappone, in una zona turistica a quattrocento chilometri a ovest della capitale. "Per il Giappone", afferma K. Takenouchi, capo del dipartimento della Kansai Nuclear Corporation, "l'uso di reattori autofertilizzanti significa la capacità di ridurre la dipendenza dall'uranio naturale importato attraverso l'uso ripetuto del plutonio. Pertanto, il nostro desiderio di svilupparci e migliorare" reattori veloci” e raggiungere un livello tecnico comprensibile in grado di competere con le moderne centrali nucleari in termini di efficienza e sicurezza. Lo sviluppo di reattori autofertilizzanti dovrebbe essere il principale programma di generazione di energia nel prossimo futuro". La costruzione del reattore Monju è già la seconda fase dello sviluppo dei reattori a neutroni veloci in Giappone. La prima è stata la progettazione e la costruzione del reattore sperimentale Joyo (in giapponese "luce eterna") da 50-100 MW, che è entrato in funzione nel 1978. Ha studiato il comportamento del carburante, nuovi materiali strutturali, componenti. Il progetto Monju iniziò nel 1968. Nell'ottobre 1985 iniziarono a costruire una stazione per scavare una fossa di fondazione. Durante lo sviluppo del sito sono stati scaricati in mare 2 milioni e 300 mila metri cubi di roccia. La potenza termica del reattore è di 714 MW. Il combustibile è una miscela di plutonio e ossidi di uranio. Ci sono 19 barre di controllo nella zona attiva, 198 blocchi di carburante, ognuno dei quali ha 169 barre di carburante (elementi di carburante - TVEL) con un diametro di 6,5 millimetri. Sono circondati da unità radiali di produzione di carburante (172 unità) e unità di schermatura di neutroni (316 unità). L'intero reattore è assemblato come una bambola che nidifica, solo che non è più possibile smontarlo. L'enorme recipiente del reattore, in acciaio inossidabile (diametro - 7,1 metri, altezza - 17,8 metri), è posto in un involucro protettivo in caso di fuoriuscita di sodio durante un incidente. "Le strutture in acciaio della camera del reattore", riporta A. Lagovsky sulla rivista Science and Life, "i gusci e i blocchi delle pareti sono riempiti di cemento come protezione. I sistemi primari di raffreddamento al sodio, insieme al recipiente del reattore, sono circondati da un guscio di emergenza con nervature di irrigidimento - il suo diametro interno è 49,5, 79,4 metri di altezza e 13,5 metri di altezza.Il fondo ellissoidale di questa massa poggia su un solido cuscino di cemento alto 1 metri.Il guscio è circondato da un'intercapedine anulare di un metro e mezzo, e poi segue uno spesso strato (1,8-0,5 metri) di cemento armato. La cupola del guscio è protetta anche da uno strato di cemento armato di XNUMX metri di spessore. A seguito del guscio anti-emergenza, viene predisposto un altro edificio di protezione - uno ausiliario - di dimensioni 100 per 115 metri, che soddisfa i requisiti della costruzione antisismica. Perché non un sarcofago? I sistemi secondari di raffreddamento al sodio, i sistemi vapore-acqua, i dispositivi di carico e scarico del combustibile e un serbatoio di stoccaggio per il combustibile esaurito si trovano nel recipiente del reattore ausiliario. In stanze separate ci sono un turbogeneratore e generatori diesel in standby. La resistenza del guscio di emergenza è progettata sia per una sovrappressione di 0,5 atmosfere che per un vuoto di 0,05 atmosfere. Un vuoto può formarsi quando l'ossigeno si esaurisce nello spazio anulare in caso di fuoriuscite di sodio liquido. Tutte le superfici in calcestruzzo che possono venire a contatto con la fuoriuscita di sodio sono completamente rivestite con lamiere di acciaio sufficientemente spesse per resistere alle sollecitazioni termiche. È così che si proteggono nel caso ciò non accada affatto, poiché dovrebbe esserci una garanzia per i gasdotti e tutte le altre parti dell'impianto nucleare. Autore: Musskiy SA
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