Історія створення ядерного реактора: від війcькових до мирних

історія створення ядерного реактора

Дізнайтеся якою була історія створення ядерного реактора та чому цей вид енергії є таким важливим для суспільства.

Перед тим як погрузитися в історію створення ядерного реактора, давайте розглянемо що таке цей реактор.

Що таке ядерний реактор

Ядерний реактор — це пристрій, який ініціює, пом’якшує та контролює процес ядерної ланцюгової реакції.

Зазвичай вони складаються з ряду компонентів – джерела палива, стрижнів управління, сповільнювача, охолоджуючої рідини та кожуха.

Перші атомні електростанції та історія атомної енергетики

Ядерні реактори використовуються для виробництва енергії, для медичної науки та для створення матеріалів для ядерної зброї. Перші ядерні реактори були побудовані під час Манхеттенського проекту і використовувалися для виробництва урану і плутонію, які в кінцевому підсумку пішли на бомби. Після війни вчені розробили ядерні реактори для цивільних енергетичних потреб, і сьогодні на них припадає майже 20% національного виробництва електроенергії США.

Історія створення ядерного реактора: Що таке ядерний реактор|Photo: www.energy.gov/ne/articles/nuclear-101-how-does-nuclear-reactor-work
Історія створення ядерного реактора: Що таке ядерний реактор|Photo: www.energy.gov/ne/articles/nuclear-101-how-does-nuclear-reactor-work

Як працюють ядерні реактори: ланцюгова реакція поділу

Ядерні реактори, на самому базовому рівні, працюють шляхом розщеплення атомів. Зразок матеріалу, що розщеплюється (зазвичай урану або плутонію) бомбардують нейтронами.

Це призводить до розщеплення і без того нестабільного ядра, вивільняючи кінетичну енергію, гамма-випромінювання та вільні нейтрони. Якщо є критична маса матеріалу, то нейтрони, які вивільняються при початковому поділі, самі приведуть до поділу інших атомів, створюючи ланцюгову реакцію.

Безперервне виділення кінетичної енергії від ланцюгової реакції – це те, що забезпечує енергію, вироблену атомними електростанціями.

Реактори зазвичай працюють на радіоактивних паливних гранулах, які часто складаються з оксиду урану. У ранніх реакторах ці гранули завантажували в паливні трубки, розділені прокладками, з використанням 64 000 тепловиділяючих елементів, коли реактор працював повністю. Гранули відпрацьованого палива поміщали у водяну баню в задній частині реактора.

Історія створення ядерного реактора постійно крутилася довкола питання безпеки.

Ядерні реактори використовують ряд заходів безпеки для контролю та ефективного каналу ланцюгових реакцій. Керуючі стрижні — це довгі стрижні з елементами, що поглинають нейтрони, які можна вставити в реактор для уповільнення або припинення реакції. Ранні реактори використовували переважно бор, але зараз також використовуються інші метали, такі як срібло, кадмій і нікель.

У першому реакторі, Chicago Pile 1, використовувалася система SCRAM, що означає «Single Control Rod Ax Man». У разі надзвичайної ситуації оператор реактора використовував сокиру, щоб перерізати мотузку, скидаючи стрижень управління в реактор і отруюючи реакцію. Відтоді системи безпеки стали більш досконалими.

Сповільнювач – це речовина, яка використовується для уповільнення та контролю процесу поділу. Вони включають звичайну («легку») воду, важку воду (де ізотоп водню дейтерій використовується у великих кількостях) і графіт. Більшість реакторів також потребує теплоносія, зазвичай води. Охолоджуючі рідини використовуються для відведення надлишку тепла від активної зони реактора, запобігаючи розплавлення.

Реактори виробляють ряд побічних продуктів, деякі з яких короткочасні, а деякі з набагато більшими періодами напіврозпаду. У реакторі B паливні елементи залишали охолоджуватися протягом 90 днів, щоб ізотопи, такі як йод-131, могли розпастися. Навіть після того, як менш стабільні елементи розпалися, довгоживучі елементи, такі як плутоній, становлять серйозну проблему для безпечного та надійного захоронення радіоактивних відходів.

Історія створення ядерного реактора

Chicago Pile (Чиказька купка) 1

Перший самопідтримуючий ядерний реактор був побудований в металургійній лабораторії Артура Комптона («Met Lab») в Чиказькому університеті в 1942 році. Chicago Pile-1 («CP-1») був розроблений головним інженером Комптона Томасом В. Муром, і побудований під західними трибунами футбольного стадіону Чиказького університету, Stagg Field.

Історія створення ядерного реактора: Chicago Pile|Photo: www.newyorker.com/tech/annals-of-technology/remembering-chicago-pile-worlds-first-nuclear-reactor
Історія створення ядерного реактора: Chicago Pile|Photo: https://www.newyorker.com/tech/annals-of-technology/remembering-chicago-pile-worlds-first-nuclear-reactor

Сама купка була саме такою – купою уранових паливних елементів і графітових блоків, які виконували б роль сповільнювачів. Не було охолоджуючої рідини і не було радіаційного чи теплозахисного захисту.

Реактор CP-1 був суто науковим і не виробляв жодних елементів для використання у військовий час.

Х-10

Графітовий реактор Х-10, побудований в Ок-Рідж, був першим ядерним реактором, розробленим для безперервної роботи. Сам Х-10 був дослідною установкою, частково призначеною для підтвердження концепції для більш масштабних ядерних реакторів.

Компанія DuPont побудувала його в Ок-Рідж у лютому 1943 року. Реактор був розроблений для виробництва збройового плутонію з природного урану, який був поміщений в алюмінієві банки від Aluminium Company of America, щоб запобігти пошкодженню водою або перегріву. Цей алюміній був відправлений на Х-10 17 червня 1943 року, а завантаження реактора почалося 31 жовтня 1943 року.

Рано вранці 4 листопада 1943 року маса стала критичною – до кінця місяця вона виробила свій перший плутоній. Проект був настільки успішним, що до самого кінця 1943 року реактор Х-10 надав перші зразки плутонію до Чиказького університету.

Реактор B

Реактор B у Хенфорді був оснований на роботі, яку вчені Манхеттенського проекту вже виконали над реакторами CP-1 і X-10. Він також був з графітом, водяним охолодженням, міг утримувати понад 60 000 елементів у своїх 2 004 технологічних трубах і виробляти до 250 мегават. Він використовував три резервних механізми вимкнення – 9 горизонтальних стрижнів керування, 29 резервних вертикальних регулюючих стрижнів і механізм бору, який спочатку був кислотою на основі бору, але потім був замінений сотнями маленьких борних кульок, скинутих усередину. Реактор охолоджували приблизно 30 000 галонів води щохвилини.

Опівночі 27 вересня він запрацював, але лише через три години раптово почав відключатися. Під час дослідження було виявлено, що ядерна ланцюгова реакція була «отруєна» ксеноном-135, продуктом поділу, який поглинув велику кількість нейтронів. На щастя, інженери DuPont наполягали на використанні 2000 трубок, а не 1500, які спочатку передбачалося в проекті. Це розумне резервування означало, що для подолання отруєння можна було додати достатню кількість ядерних елементів.

Хімічні явища в побуті: 10 поширених прикладів

Мирний атом

Після Другої Світової Війни історія створення ядерного реактора повернула в мирну сторону.

Країни боролися за те, щоб стати першість в розробці цивільної ядерної енергетики, уявляючи майбутнє, де електроенергія буде «занадто дешевою для вимірювання». У 1950 році Комісія з атомної енергії США створила Аргоннську національну лабораторію і взяла на себе відповідальність за Національну випробувальну станцію реактора в Айдахо-Фоллз, штат Айдахо.

EBR-1

У 1951 році був побудований експериментальний перший у світі реактор-розмножувач (EBR-1). Реактор-розмножувач — це різновид реактора, який під час роботи перетворює уран на плутоній, створюючи більше палива, ніж витрачає. EBR-1 використовував тепло, вироблене ядерним поділом, для створення пари, приводячи в дію турбіну, яка приводила в рух генератор, створюючи електрику.

Історія створення ядерного реактора: Experimental Breeder Reactor No. 1 (EBR-I)|Photo: tripadvisor.com
Історія створення ядерного реактора: Experimental Breeder Reactor No. 1 (EBR-I)|Photo: tripadvisor.com

Успіх EBR-1 призвів до будівництва EBR-2, який був у 20 разів більшим за розмір EBR-1, і став прототипом комерційних енергетичних реакторів. Тут також був удосконалений процес переробки палива – він працював протягом п’яти років на переробленому паливі, залишаючи лише невеликий обсяг відходів.

MTR/BORAX-1/SPERT

Відчуваючи потребу в кращій експериментальній інформації про те, як працюють реактори, команда Айдахо-Фоллс побудувала ряд реакторів для експериментальних цілей. Реактор для випробування матеріалів (MTR) мав набагато більший «нейтронний потік» (кількість ударів нейтронів у певній області за секунду), ніж більшість інших реакторів, що дозволяло проводити прискорені випробування. MTR був використаний у більш ніж 12 000 експериментах, у тому числі щодо довговічності паливних стрижнів, ефективності захисних матеріалів та ефективності палива зі збагаченим ураном.

BORAX-1 (експеримент реактора з кип’ячею водою) був тестом безпеки, пов’язанім з розміщенням ядерного енергетичного реактора поблизу міста; його наступник, BORAX-3, зрештою освітлює все сусіднє місто Арко, штат Айдахо. SPERT (Special Power Excursion Reactor Test) був реактором, призначеним для «дослідження меж поведінки реактора» – він перевіряв, що може піти не так в ядерному реакторі, і що можна зробити для вирішення проблем.

РЕАКТОРИ СЬОГОДНІ

Сьогодні реактори займають особливе місце в забезпеченні електроенергії населенню.

Сполучені Штати є найбільшим у світі виробником ядерної енергії, на них припадає близько 30% загального виробництва ядерної енергії. Для прикладу Сполучені Штати мають 99 ядерних реакторів, якими керують 80 різних компаній. У 2016 році вони разом виробили 805,3 мільярда кіловат-годин, що становить понад 19,7% електроенергії.

З часів Манхеттенського проекту використання ядерної енергії, а отже й ядерних реакторів, лише продовжувало зростати.

Джерело: www.atomicheritage.org

Подібні новини