Что происходит внутри ядерного реактора за одну секунду: от деления атомов до электричества

Одна секунда – мгновение, которое человек практически не замечает. Но внутри работающего ядерного реактора за это время происходят миллиарды миллиардов делений атомных ядер. При этом выделяется огромное количество тепла, которое помогает вырабатывать электричество. Как устроена цепная реакция, что позволяет ее контролировать и какие системы обеспечивают безопасность работы реактора, читайте в материале NUR.KZ.

Масштаб цепной реакции

В основе работы атомного реактора лежит управляемая цепная реакция деления ядер урана. Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно может разделиться на 2 более легких ядра, высвободив энергию и, как правило, 2-3 новых нейтрона. Они способны вызвать последующие деления, обеспечивая продолжение реакции.

Масштаб этих процессов трудно представить. Например, в реакторе ВВЭР-1200, тепловая мощность которого составляет около 3 200 МВт, за одну секунду происходит порядка 10²⁰ делений атомных ядер, для понимания это число с двадцатью нулями. Энергия одного деления чрезвычайно мала, около 200 МэВ (Мегаэлектронвольт), однако суммарно обеспечивается выделение колоссального количества тепла.

И самое удивительное: этот процесс не заканчивается через секунду. Он непрерывно продолжается в течение месяцев работы энергоблока, оставаясь под контролем систем управления и защиты.

Что находится внутри активной зоны?

Сердцем реактора является активная зона, размещенная внутри прочного стального корпуса. В реакторе ВВЭР-1200 она включает 163 тепловыделяющие сборки. Каждая состоит из 312 герметичных металлических трубок - тепловыделяющих элементов, или твэлов, внутри которых находятся небольшие керамические таблетки диоксида урана.

Именно в топливных таблетках происходит основная часть реакций деления. Выделяющаяся энергия нагревает топливо и через оболочки твэлов передается окружающей воде.

Вода выполняет сразу две важные функции: отводит тепло от топлива и замедляет быстрые нейтроны, повышая вероятность новых делений урана-235. Таким образом, она одновременно участвует в поддержании цепной реакции и охлаждении активной зоны.

Как удается контролировать цепную реакцию?

На первый взгляд цепная реакция, при которой каждое деление порождает новые нейтроны, должна непрерывно ускоряться. Однако задача реактора заключается не в бесконтрольном увеличении числа делений, а в поддержании их строго определенной интенсивности.

При устойчивой работе реактора количество нейтронов, вызывающих новые деления, находится в балансе с количеством нейтронов, которые поглощаются или покидают активную зону. Такое состояние называется критическим, и означает устойчивую самоподдерживающуюся реакцию.

Для управления этим процессом используются специальные поглощающие стержни системы управления и защиты. При их введении в активную зону поглощается больше нейтронов, и интенсивность реакции снижается. При извлечении стержней число нейтронов, участвующих в делении, может увеличиваться. Дополнительно реактивность регулируется изменением концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура, поскольку бор эффективно поглощает нейтроны.

Существенную роль играют и физические свойства самого реактора. В состав ядерного топлива также входит уран-238, который при нагреве топлива поглощает больше нейтронов. В результате меньше нейтронов остается для продолжения цепной реакции, что сдерживает рост мощности.

Непрерывный контроль обеспечивают многочисленные датчики, измеряющие нейтронный поток, температуру, давление и другие параметры. При выходе за установленные пределы автоматическая защита способна быстро остановить цепную реакцию. Для выполнения функций безопасности предусматриваются резервирование и независимость соответствующих систем.

От ядерного деления до электричества

В течение одной секунды работы на номинальной мощности реактор ВВЭР-1200 выделяет около 3,2 млрд джоулей тепловой энергии. Чтобы отводить такое количество тепла, через активную зону непрерывно прокачивается вода первого контура.

При тепловой мощности около 3 200 МВт энергоблок ВВЭР-1200 способен вырабатывать приблизительно 1 200 МВт электрической мощности. Это означает, что при работе на такой мощности за каждую секунду производится порядка 330 кВт·ч электроэнергии.

Таким образом, внутри атомной электростанции одновременно происходят миллиарды миллиардов ядерных превращений, непрерывная передача тепла и преобразование энергии в электричество.

Одна секунда работы атомного реактора – это миллиарды миллиардов делений атомных ядер, за которыми стоят научные открытия и инженерные решения, позволяющие превращать энергию атома в электричество.

Нашли ошибку в публикации? Сообщите нам об этом.