Kina namjerava izgraditi najmanji nuklearni reaktor na svijetu. Atomski konstruktor: reaktor na stolu Najmanji nuklearni reaktor

Kineski znanstvenici s Instituta za tehnologiju sigurnosti nuklearne energije započeli su rad na stvaranju nuklearna elektrana, koji će postati najmanji na svijetu. Izvijestili o tome.

Nuklearna elektrana bit će reaktor brzi neutroni... Sami su je znanstvenici nazvali "prijenosnom nuklearnom baterijom". Ovaj dizajn omogućit će reaktoru da radi bez teških uvjeta održavanja tijekom 5 godina. Za hlađenje će se rastopiti olovo.

Mala elektrana moći će proizvoditi do 10 megavata električne energije. Štoviše, njegove dimenzije bit će široke samo 2 metra i visoke 6 metara. Prema znanstvenicima, moći će opskrbiti oko 50 tisuća domova. Unatoč tome, znanstvenici su za prvu točku rada novog reaktora odabrali jedinicu za desalinizaciju smještenu u Južnokineskom moru.

Kineske vlasti namjeravaju takve "prijenosne nuklearne baterije" pustiti u rad u sljedećih 5 godina.

1. Slobodno-klipni Stirlingov motor radi na zagrijavanju "atomskom parom". 2. Indukcijski generator daje oko 2 vata električne energije za napajanje žarulje sa žarnom niti. 3. Karakterističan plavi sjaj je Čerenkovljevo zračenje elektrona koje je gama izbacila iz atoma kvanta. Može poslužiti kao izvrsno noćno svjetlo!

Za djecu od 14 godina, mladi istraživač moći će samostalno sakupljati nuklearni reaktor, naučiti što su brzi i odgođeni neutroni i vidjeti dinamiku ubrzanja i usporavanja nuklearne lančane reakcije. Nekoliko jednostavnih eksperimenata s gama spektrometrom omogućit će vam da shvatite proizvodnju raznih fisionih proizvoda i eksperimentirate s reprodukcijom goriva iz danas pomodnog torija (priložen je komad torij-232 sulfida). Uključena knjiga "Osnove nuklearne fizike za male" sadrži opis više od 300 pokusa s sklopljenim reaktorom, pa je prostor za kreativnost ogroman

Povijesni prototip Laboratorij za atomsku energiju (1951.) osposobio je školarce da iskuse najnaprednija područja znanosti i tehnologije. Elektroskop, Wilsonova komora i Geiger-Müllerov brojač omogućili su provođenje mnogih zanimljivih pokusa. Ali, naravno, nije toliko zanimljivo kao sastavljanje operativnog reaktora iz ruskog kompleta "Desktop NPP"!

Pedesetih godina prošlog stoljeća, s pojavom atomskih reaktora, činilo se da su se blistave perspektive za rješavanje svih energetskih problema nazirale pred čovječanstvom. Energetski inženjeri dizajnirali su nuklearne elektrane, brodograditelji - nuklearne električne brodove, pa su se čak i dizajneri automobila odlučili pridružiti odmoru i upotrijebiti "mirni atom". U društvu je nastao "nuklearni bum", a industriji je počelo nedostajati kvalificiranih stručnjaka. Bio je potreban priljev novog osoblja, a pokrenuta je ozbiljna obrazovna kampanja ne samo među studentima, već i među školarcima. Na primjer, A.C. Tvrtka Gilbert objavila je dječji pribor za laboratorij atomske energije 1951. godine, koji je sadržavao nekoliko malih radioaktivnih izvora, potrebne instrumente i uzorke rude urana. Ovaj "najmoderniji znanstveni pribor", navedeno je na kutiji, omogućio je "mladim istraživačima da provedu više od 150 uzbudljivih znanstvenih eksperimenata".

Kadrovi su sve

Tijekom posljednjih pola stoljeća znanstvenici su naučili neke gorke lekcije i naučili kako izgraditi pouzdane i sigurne reaktore. I premda sada na ovom području postoji pad, uzrokovan nedavnom nesrećom u Fukushimi, uskoro će ga zamijeniti uspon, a nuklearne elektrane i dalje će se smatrati izuzetno obećavajućim načinom da se dobiju čisti, pouzdani i sigurna energija... Ali već sada u Rusiji nedostaje osoblja, kao u 1950-ima. Kako bi privukla školarce i povećala interes za nuklearnu energiju, Znanstveno-proizvodno poduzeće (NPP) "Ecoatomconversion", slijedeći primjer A.C. Tvrtka Gilbert objavila je obrazovni pribor za djecu stariju od 14 godina. Naravno, znanost za ovih pola stoljeća nije stajala, stoga, za razliku od svog povijesnog prototipa, moderni komplet omogućuje vam dobivanje puno zanimljivijih rezultata, naime, sastavljanje pravog modela nuklearne elektrane na stolu . Naravno, onaj trenutni.

Pismenost od kolijevke

“Naša tvrtka dolazi iz Obninska, grada iz kojeg su ljudi iz gotovo nuklearne energije poznati i poznati Dječji vrtić, - objašnjava "PM" znanstveni direktor NPP "Ecoatomconversion" Andrey Vykhadanko. - I svi razumiju da je se apsolutno ne treba bojati. Napokon, samo je nepoznata opasnost uistinu strašna. Stoga smo odlučili izdati ovaj set za školarce, koji će im omogućiti da eksperimentiraju i u potpunosti proučavaju principe nuklearnih reaktora, ne izlažući sebe i druge ozbiljnom riziku. Kao što znate, znanje stečeno u djetinjstvu je najčvršće, pa se izdavanjem ovog kompleta nadamo da ćemo značajno smanjiti vjerojatnost ponovnog pojave Černobila ili

Fukushima u budućnosti. "

Otpadni plutonij

Tijekom godina mnoge su nuklearne elektrane akumulirale tone takozvanog reaktorskog plutonija. Sastoji se uglavnom od oružja pu-239, koje sadrži oko 20% nečistoća drugih izotopa, prvenstveno Pu-240. To čini reaktor plutonij potpuno neprikladnim za izradu nuklearnih bombi. Pokazalo se da je odvajanje nečistoće vrlo teško, jer je razlika u masi između 239. i 240. izotopa samo 0,4%. Proizvodnja nuklearnog goriva s dodatkom reaktorskog plutonija pokazala se tehnološki teškom i ekonomski neisplativom, pa je taj materijal izostavljen iz poslovanja. To je "otpadni" plutonij koji je korišten u "Kompletu mladih atomskih inženjera" koji je razvila NPP "Ecoatomconversion".

Kao što znate, za početak lančane fisione reakcije nuklearno gorivo mora imati određenu kritičnu masu. Za kuglu izrađenu od oružja urana-235 to je 50 kg, za plutonij-239 - samo 10. Ljuska izrađena od neutronskog reflektora, na primjer, berilija, može smanjiti kritičnu masu nekoliko puta. A upotreba moderatora, kao u termičkim reaktorima, smanjit će kritičnu masu više od deset puta, sve do nekoliko kilograma visoko obogaćenog U-235. Kritična masa Pu-239 iznosit će čak stotine grama, a upravo takav ultra kompaktni reaktor stane na stol razvijen u tvrtki Ecoatomconversion.

Što je u škrinji

Pakiranje kompleta skromno je uređeno u crno-bijeloj tehnici, a samo se mutne ikone radioaktivnosti u tri segmenta ponešto ističu na općoj pozadini. "Zaista nema opasnosti", kaže Andrej pokazujući na riječi "Savršeno sigurno!" Napisane na kutiji. "Ali to su zahtjevi vlasti." Kutija je teška, što ne čudi: sadrži zapečaćeni olovni transportni spremnik sa sklopom za gorivo (FA) od šest plutonijevih šipki s cirkonijevim omotačem. Pored toga, set uključuje vanjsku posudu reaktora izrađenu od stakla otpornog na toplinu s kemijskim otvrdnjavanjem, poklopac posude sa staklenim prozorom i brtvama pod pritiskom, posudu jezgre od nehrđajućeg čelika, nosač reaktora i kontrolnu šipku bor-karbida - apsorber. Električni dio reaktora predstavljen je slobodnim klipnim Stirlingovim motorom s spojnim polimernim cijevima, malom žarnom niti i žicama. Komplet također uključuje vreću kilograma borove kiseline u prahu, par zaštitnih odijela s respiratorima i gama spektrometar s ugrađenim helijskim neutronskim detektorom.

Izgradnja NE

Sastavljanje operativnog modela nuklearne elektrane prema priloženom priručniku na slikama vrlo je jednostavno i traje manje od pola sata. Oblačeći stilsko zaštitno odijelo (potrebno je samo tijekom montaže), zatvorenu ambalažu otvaramo sklopovima za gorivo. Zatim sklop umetnemo u posudu reaktora, pokrijemo je jezgrom. Na kraju škljocamo poklopac zapečaćenim žlijezdama na vrhu. U središnju trebate umetnuti šipku apsorbera do kraja, a kroz bilo koju od druge dvije aktivnu zonu napuniti destiliranom vodom do linije na tijelu. Nakon punjenja, cijevi za paru i kondenzat spojene su na tlačne brtve, prolazeći kroz izmjenjivač topline Stirlingova motora. Sama nuklearna elektrana je gotova i spremna za lansiranje, preostaje joj samo smjestiti je na poseban stalak u akvarij napunjen otopinom borne kiseline, koji savršeno apsorbira neutrone i štiti mladog istraživača od neutronskog zračenja.

Tri, dva, jedan - započnite!

Donosimo gama spektrometar s neutronskim senzorom blizu zida akvarija: mali dio neutrona, koji ne predstavlja opasnost za zdravlje, ipak izlazi. Polako podignite šipku za podešavanje dok neutronski tok ne počne brzo rasti, izazivajući samoodrživu nuklearnu reakciju. Preostaje samo pričekati dok se ne postigne potrebna snaga i gurnuti štap natrag za 1 cm duž oznaka tako da se brzina reakcije stabilizira. Čim započne vrenje, u gornjem dijelu posude jezgre pojavit će se sloj pare (perforacija u posudi sprječava taj sloj da izloži plutonijeve šipke, što bi moglo dovesti do njihovog pregrijavanja). Para prolazi kroz cijev do Stirlingova motora, gdje se kondenzira i teče niz izlaznu cijev u reaktor. Razlika temperatura između dva kraja motora (jedan se zagrijava parom, a drugi hladi sobnim zrakom) pretvara se u oscilacije klipa-magneta, koji zauzvrat inducira izmjeničnu struju u namotu koji okružuje motor, paleći atomsku svjetlost u rukama mladog istraživača i, kako se nadaju programerima, atomski interes u njegovom srcu.

Napomena uredništva: Ovaj je članak objavljen u travanjskom izdanju časopisa i predstavlja prvoaprilsko izvlačenje.

Nažalost, mikroatomski reaktor za domaće potrebe ne može se stvoriti, a evo i zašto. Rad nuklearnog reaktora temelji se na lančanoj reakciji cijepanja jezgara Urana-235 (²³⁵U) toplinskim neutronom: n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + γ (202,5 ​​MeV) + 3n. Slika lančane reakcije cijepanja prikazana je u nastavku.

Na sl. može se vidjeti kako je neutron koji ulazi u jezgru (³³U) uzbuđuje i jezgra se dijeli na dva fragmenta (¹⁴¹Ba, ⁹²Kr), γ-kvant s energijom od 202,5 ​​MeV i 3 slobodna neutrona (u prosjeku), što zauzvrat mogu podijeliti sljedeće 3 jezgre urana zatečene na njihovom putu. Dakle, u procesu svakog postupka cijepanja oslobađa se oko 200 MeV energije ili ~ 3 × 10⁻¹¹ J, što odgovara ~ 80 TerraJ / kg ili 2,5 milijuna puta više nego što bi se oslobodilo u istoj količini gorućeg ugljena . Ali kako nas Murphy upućuje: "ako se dogodi nevolja, onda se mora dogoditi", a neki od neutrona nastalih tijekom cijepanja gube se u lančanoj reakciji. Neutroni mogu pobjeći (iskočiti) iz aktivnog volumena ili ih apsorbirati nečistoće (na primjer, Kripton). Odnos broja neutrona sljedeće generacije prema broju neutrona u prethodnoj generaciji u cijelom volumenu umnožavajućeg neutronskog medija (jezgra nuklearnog reaktora) naziva se faktor umnožavanja neutrona, k. Za k<1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k>1, eksplozija se događa gotovo trenutno. Kad je k jednako 1, dolazi do kontrolirane stacionarne lančane reakcije. Faktor umnožavanja neutrona (k) najosjetljiviji je na masu i čistoću nuklearnog goriva (³³⁵U). U nuklearnoj fizici minimalna masa cijepljive tvari potrebna za pokretanje samoodržive lančane reakcije cijepanja (k≥1) naziva se kritična masa. Za Uran-235 to je 50 kg. Ovo sigurno nije mikro-veličina, ali i malo. Da bi se izbjegla nuklearna eksplozija i stvorila mogućnost upravljanja lančanom reakcijom (faktor umnožavanja), masa goriva u reaktoru mora se povećati i u skladu s tim moraju se pustiti u rad apsorberi neutrona (moderatori). Upravo ta inženjerska i tehnička oprema reaktora, u svrhu održive kontrole lančane reakcije, rashladnog sustava i dodatnih struktura za zaštitu od zračenja osoblja, zahtijeva velike količine.

Kao gorivo može se koristiti i Californian-232 s kritičnom masom od oko 2,7 kg. U granicama je sasvim moguće reaktor dovesti do veličine kugle promjera nekoliko metara. Najvjerojatnije se to vjerojatno radi na nuklearnim podmornicama. Mislim da bi trebalo biti vrlo opasno prilaziti takvim reaktorima ☠ zbog neizbježne neutronske pozadine, ali više detalja treba potražiti od ratnika.

Kalifornij nije prikladan kao nuklearno gorivo zbog svojih ogromnih troškova. 1 gram California-252 košta oko 27 milijuna dolara. Kao nuklearno gorivo široko se koristi samo uran. Gorive ćelije na osnovi torija i plutonija još nisu dobili široku rasprostranjenost, ali se aktivno razvijaju.

Relativno visoku kompaktnost podmorskih reaktora pruža razlika u dizajnu (obično se koriste reaktori pod pritiskom, VVER / PWR), različiti zahtjevi za njih (ostali zahtjevi za sigurnost i hitno isključivanje; na brodu obično ne treba puno električne energije za razliku od reaktora kopnenih elektrana koji su stvoreni samo radi električne energije) i korištenja različitih stupnjeva obogaćivanja gorivom (koncentracija urana-235 u odnosu na koncentraciju urana-238). Tipično se uran s mnogo višim stupnjem obogaćivanja (20% do 96% za američke čamce) koristi u gorivu za morske reaktore. Također, za razliku od kopnenih elektrana, gdje je uobičajena upotreba goriva u obliku keramike (uranij-dioksid), u offshore reaktorima najčešće se kao gorivo koriste legure urana s cirkonijem i drugim metalima.

Uređaji koji stvaraju električnu struju kao rezultat korištenja energije nuklearne fisije dobro su proučeni (od 1913.) i već su dugo savladani u proizvodnji. Uglavnom se koriste tamo gdje su potrebna relativna kompaktnost i velika autonomija - u istraživanju svemira, podvodnim vozilima, rijetko naseljenim i pustim tehnologijama. Izgledi za njihovu upotrebu u domaćim uvjetima prilično su skromni; uz opasnost od zračenja, većina vrsta nuklearnog goriva vrlo je toksična i u principu je izuzetno nesigurna u kontaktu s okolišem. Unatoč činjenici da se u literaturi na engleskom jeziku ti uređaji nazivaju atomskim baterijama i nije ih uobičajeno nazivati ​​reaktorima, oni se mogu smatrati takvima, jer se u njima odvija reakcija raspadanja. Po želji se takvi uređaji mogu prilagoditi za domaće potrebe, što može biti važno za uvjete, na primjer na Antarktiku.

Radioizotopski termoelektrični generatori postoje već dugo vremena i u potpunosti udovoljavaju vašim zahtjevima - dovoljno su kompaktni i snažni. Djeluju zbog Seebeckova efekta, nemaju pokretnih dijelova. Da to nije u suprotnosti sa zdravim razumom, sigurnosnim mjerama opreza i kaznenim zakonom, takav bi generator mogao biti zakopan negdje ispod garaže u državi, pa čak i napajan s nekoliko žarulja i prijenosnim računalom iz njega. Žrtvovati, da tako kažem, zdravlje potomaka i susjeda radi stotinjak ili dva vata električne energije. Ukupno je proizvedeno više od 1000 takvih generatora u Rusiji i SSSR-u.

Kao što su drugi sudionici već odgovorili, izgledi za minijaturizaciju "klasičnih" nuklearnih reaktora koji se koriste parne turbine za proizvodnju električne energije snažno su ograničeni zakonima fizike, a glavna ograničenja nameću se ne toliko veličinom reaktora koliko veličinom druge opreme: kotlova, cjevovoda, turbina, rashladnih tornjeva. Najvjerojatnije neće biti modela "kućanstva". Unatoč tome, sada se aktivno razvijaju prilično kompaktni uređaji, na primjer, NuScaleov perspektivni reaktor snage 50 MWe ima dimenzije od samo 76 puta 15 inča, tj. oko dva metra sa 40 centimetara.

S energijom nuklearne fuzije sve je puno složenije i dvosmislenije. S jedne strane, možemo govoriti samo o dugoročnoj perspektivi. Zasad čak ni veliki nuklearni fuzijski reaktori ne daju energiju i jednostavno nema govora o njihovoj praktičnoj minijaturizaciji. Ipak, niz ozbiljnih i još ozbiljnijih organizacija razvija kompaktne izvore energije temeljene na fuzijskoj reakciji. I ako se u slučaju Lockheeda Martina riječ "kompakt" razumije kao "veličina kombija", onda, na primjer, u slučaju američke agencije DARPA, koja je dodijelila u fiskalnoj 2009. godini