L'importance de l'énergie nucléaire dans le monde moderne

L’énergie nucléaire a fait d’énormes progrès au cours des dernières décennies, devenant l’une des sources d’électricité les plus importantes pour de nombreux pays. Dans le même temps, il ne faut pas oublier que derrière le développement de ce secteur de l'économie nationale se cachent les efforts énormes de dizaines de milliers de scientifiques, d'ingénieurs et de simples travailleurs, qui font tout pour que « l'atome pacifique » ne se transforme pas en menace réelle pour des millions de personnes. Le véritable cœur de toute centrale nucléaire est le réacteur nucléaire.

Histoire de la création réacteur nucléaire

Le premier appareil de ce type a été construit au plus fort de la Seconde Guerre mondiale aux États-Unis par le célèbre scientifique et ingénieur E. Fermi. À cause de son aspect inhabituel, ressemblant à un empilement de blocs de graphite empilés les uns sur les autres, ce réacteur nucléaire s'appelait Chicago Stack. Il est à noter que cet appareil fonctionnait à l'uranium, placé juste entre les blocs.

Création d'un réacteur nucléaire en Union soviétique

Dans notre pays, une attention accrue a également été accordée aux questions nucléaires. Malgré le fait que les principaux efforts des scientifiques se soient concentrés sur l'utilisation militaire de l'atome, ils ont activement utilisé les résultats obtenus à des fins pacifiques. Le premier réacteur nucléaire, baptisé F-1, a été construit par un groupe de scientifiques dirigé par physicien célèbre I. Kurchatov fin décembre 1946. Son inconvénient majeur était l’absence de tout type de système de refroidissement, de sorte que la puissance d’énergie qu’il dégageait était extrêmement insignifiante. Dans le même temps, les chercheurs soviétiques achevaient les travaux commencés, qui aboutissaient à l'ouverture huit ans plus tard, dans la ville d'Obninsk, de la première centrale nucléaire au monde.

Principe de fonctionnement du réacteur

Un réacteur nucléaire est un dispositif technique extrêmement complexe et dangereux. Son principe de fonctionnement repose sur le fait que lors de la désintégration de l'uranium, plusieurs neutrons sont libérés qui, à leur tour, éliminent les particules élémentaires des atomes d'uranium voisins. Cette réaction en chaîne libère une quantité importante d’énergie sous forme de chaleur et de rayons gamma. Dans le même temps, il convient de prendre en compte le fait que si cette réaction n'est contrôlée d'aucune manière, la fission des atomes d'uranium dans les plus brefs délais peut conduire à une puissante explosion aux conséquences indésirables.

Pour que la réaction se déroule dans des limites strictement définies, la conception d'un réacteur nucléaire est d'une grande importance. Actuellement, chacune de ces structures est une sorte de chaudière à travers laquelle circule le liquide de refroidissement. L'eau est généralement utilisée à ce titre, mais certaines centrales nucléaires utilisent du graphite liquide ou de l'eau lourde. Il est impossible d'imaginer un réacteur nucléaire moderne sans des centaines de cassettes hexagonales spéciales. Ils contiennent des éléments générateurs de carburant, à travers lesquels circulent des liquides de refroidissement. Cette cassette est recouverte d'une couche spéciale capable de réfléchir les neutrons et ainsi de ralentir la réaction en chaîne.

Réacteur nucléaire et sa protection

Il dispose de plusieurs niveaux de protection. En plus du corps lui-même, il est recouvert d'une isolation thermique spéciale et d'une protection biologique. D'un point de vue technique, cette structure est un puissant bunker en béton armé dont les portes sont fermées le plus hermétiquement possible.

Les réacteurs nucléaires ont une seule tâche : diviser les atomes dans une réaction contrôlée et utiliser l’énergie libérée pour produire de l’énergie électrique. Pendant de nombreuses années, les réacteurs ont été considérés à la fois comme un miracle et une menace.

Lorsque le premier réacteur commercial américain a été mis en service à Shippingport, en Pennsylvanie, en 1956, cette technologie a été saluée comme la source d'énergie du futur, et certains pensaient que les réacteurs rendraient la production d'électricité trop bon marché. Actuellement, 442 exemplaires ont été construits dans le monde. réacteur nucléaire, environ un quart de ces réacteurs se trouvent aux États-Unis. Le monde est devenu dépendant des réacteurs nucléaires, produisant 14 pour cent de son électricité. Les futuristes fantasmaient même sur les voitures nucléaires.

Lorsque le réacteur de la tranche 2 de la centrale électrique de Three Mile Island, en Pennsylvanie, a connu une panne du système de refroidissement et une fusion partielle de son combustible radioactif en 1979, les sentiments chaleureux à l'égard des réacteurs ont radicalement changé. Même si le réacteur détruit était confiné et qu’aucun rayonnement grave n’était émis, de nombreuses personnes ont commencé à considérer les réacteurs comme trop complexes et vulnérables, avec des conséquences potentiellement catastrophiques. Les gens étaient également préoccupés par les déchets radioactifs des réacteurs. En conséquence, la construction de nouvelles centrales nucléaires aux États-Unis est au point mort. Lorsqu’un accident plus grave s’est produit à la centrale nucléaire de Tchernobyl, en Union soviétique, en 1986, l’énergie nucléaire semblait condamnée.

Mais au début des années 2000, les réacteurs nucléaires ont commencé à faire leur retour, grâce à la demande croissante d’énergie et à la diminution des réserves de combustibles fossiles, ainsi qu’aux inquiétudes croissantes concernant le changement climatique résultant des émissions de dioxyde de carbone.

Mais en mars 2011, une autre crise s'est produite : cette fois, la centrale nucléaire de Fukushima 1 au Japon a été gravement endommagée par un tremblement de terre.

Utilisation de la réaction nucléaire

En termes simples, un réacteur nucléaire divise les atomes et libère l’énergie qui maintient leurs parties ensemble.

Si vous avez oublié la physique au lycée, nous vous rappellerons comment fission nucléaire travaux. Les atomes sont comme des minuscules systèmes solaires, avec un noyau comme le Soleil et des électrons comme des planètes en orbite autour de lui. Le noyau est constitué de particules appelées protons et neutrons, liées entre elles. La force qui lie les éléments du noyau est même difficile à imaginer. Elle est plusieurs milliards de fois plus forte que la force de gravité. Malgré cela puissance énorme, vous pouvez diviser le noyau en lui tirant des neutrons. Une fois cela fait, beaucoup d’énergie sera libérée. Lorsque les atomes se désintègrent, leurs particules s'écrasent sur les atomes proches, les divisant, et ceux-ci, à leur tour, sont les suivants, et les suivants, et les suivants. Il existe ce qu'on appelle réaction en chaîne.

L'uranium, un élément comportant de gros atomes, est idéal pour le processus de fission car la force qui lie les particules de son noyau est relativement faible par rapport aux autres éléments. Les réacteurs nucléaires utilisent un isotope spécifique appelé Ucouru-235 . L'uranium 235 est de nature rare, le minerai provenant des mines d'uranium ne contenant qu'environ 0,7 % d'uranium 235. C'est pourquoi les réacteurs sont utilisés enrichiUblessures, qui est créé en séparant et en concentrant l'uranium 235 par un processus de diffusion gazeuse.

Un processus de réaction en chaîne peut être créé dans bombe atomique, similaires à ceux largués sur les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki pendant la Seconde Guerre mondiale. Mais dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée en insérant des barres de contrôle constituées de matériaux tels que le cadmium, l'hafnium ou le bore qui absorbent une partie des neutrons. Cela permet au processus de fission de libérer suffisamment d'énergie pour chauffer l'eau à environ 270 degrés Celsius et la transformer en vapeur, qui est utilisée pour faire tourner les turbines de la centrale électrique et produire de l'électricité. Fondamentalement, dans ce cas, une bombe nucléaire contrôlée fonctionne à la place du charbon pour créer de l’électricité, sauf que l’énergie nécessaire pour faire bouillir l’eau provient de la division des atomes au lieu de brûler du carbone.

Composants du réacteur nucléaire

Il existe plusieurs types de réacteurs nucléaires, mais ils ont tous des caractéristiques caractéristiques générales. Ils disposent tous d'une réserve de pastilles de combustible radioactif - généralement de l'oxyde d'uranium - qui sont disposées en tubes pour former des barres de combustible dans zones activeseréacteur.

Le réacteur a également le mentionné précédemment gestionnairesetigeEt- constitué d'un matériau absorbant les neutrons tel que le cadmium, l'hafnium ou le bore, qui est inséré pour contrôler ou arrêter une réaction.

Le réacteur a également modérateur, une substance qui ralentit les neutrons et aide à contrôler le processus de fission. La plupart des réacteurs aux États-Unis utilisent de l'eau ordinaire, mais les réacteurs d'autres pays utilisent parfois du graphite, ou lourdOuaheauà, dans lequel l'hydrogène est remplacé par du deutérium, un isotope de l'hydrogène avec un proton et un neutron. Un autre élément important du système est refroidissementOhliquideb, généralement de l'eau ordinaire, qui absorbe et transfère la chaleur du réacteur pour créer de la vapeur qui fait tourner la turbine et refroidit la zone du réacteur afin qu'elle n'atteigne pas la température à laquelle l'uranium fondra (environ 3 815 degrés Celsius).

Enfin, le réacteur est enfermé dans coquillesà, une grande et lourde structure, généralement de plusieurs mètres d'épaisseur, faite d'acier et de béton qui maintient les gaz et liquides radioactifs à l'intérieur là où ils ne peuvent nuire à personne.

Il existe un certain nombre de modèles de réacteurs différents, mais l'un des plus courants est réacteur à eau sous pression (VVER). Dans un tel réacteur, l’eau est mise en contact avec le cœur et y reste sous une pression telle qu’elle ne peut pas se transformer en vapeur. Cette eau entre ensuite en contact avec de l'eau non pressurisée dans le générateur de vapeur, qui se transforme en vapeur, qui fait tourner les turbines. Il y a aussi un dessin réacteur de type canal de haute puissance (RBMK) avec un circuit d'eau et réacteur à neutrons rapides avec deux circuits de sodium et un d'eau.

Dans quelle mesure un réacteur nucléaire est-il sûr ?

Répondre à cette question est assez difficile et dépend de la personne à qui vous posez la question et de la manière dont vous définissez « sûr ». Êtes-vous préoccupé par les radiations ou les déchets radioactifs générés dans les réacteurs ? Ou êtes-vous plus inquiet de la possibilité d’un accident catastrophique ? Quel degré de risque considérez-vous comme un compromis acceptable pour les avantages de l’énergie nucléaire ? Et dans quelle mesure faites-vous confiance au gouvernement et à l’énergie nucléaire ?

Le terme « rayonnement » est un argument de poids, principalement parce que nous savons tous que de fortes doses de rayonnement, provenant par exemple d'une explosion bombe nucléaire, peut tuer plusieurs milliers de personnes.

Les partisans de l’énergie nucléaire soulignent cependant que nous sommes tous régulièrement exposés à des rayonnements provenant de diverses sources, notamment les rayons cosmiques et les rayonnements naturels émis par la Terre. La dose de rayonnement annuelle moyenne est d'environ 6,2 millisieverts (mSv), dont la moitié provient sources naturelles, et la moitié de sources artificielles, allant des radiographies pulmonaires, des détecteurs de fumée et des cadrans de montre lumineux. Quelle quantité de rayonnement recevons-nous des réacteurs nucléaires ? Seule une infime fraction de pour cent de notre exposition annuelle typique est de 0,0001 mSv.

Même si toutes les centrales nucléaires rejettent inévitablement de petites quantités de rayonnements, les commissions de réglementation imposent aux exploitants de centrales des exigences strictes. Ils ne peuvent pas exposer les personnes vivant autour de la centrale à plus de 1 mSv de rayonnement par an, et les travailleurs de la centrale ont un seuil de 50 mSv par an. Cela peut sembler beaucoup, mais selon la Commission de réglementation nucléaire, il n'existe aucune preuve médicale que des doses de rayonnement annuelles inférieures à 100 mSv présentent un risque pour la santé humaine.

Mais il est important de noter que tout le monde n’est pas d’accord avec cette évaluation complaisante des risques radiologiques. Par exemple, Physicians for Social Responsibility, critique de longue date de l’industrie nucléaire, a étudié les enfants vivant autour des centrales nucléaires allemandes. L'étude a révélé que les personnes vivant à moins de 5 km des centrales couraient deux fois plus de risques de contracter la leucémie que celles vivant plus loin des centrales nucléaires.

Déchets de réacteur nucléaire

L’énergie nucléaire est présentée par ses partisans comme une énergie « propre » car le réacteur n’émet pas de grandes quantités de gaz à effet de serre dans l’atmosphère par rapport à l’énergie nucléaire. centrales électriques au charbon. Mais les critiques pointent du doigt un autre problème environnemental : le recyclage. déchets nucléaires. Une partie du combustible usé des réacteurs libère encore de la radioactivité. D'autres éléments inutiles qui devraient être sauvegardés sont déchets radioactifs haut niveau , un résidu liquide du retraitement du combustible usé, dans lequel reste une partie de l'uranium. À l’heure actuelle, la plupart de ces déchets sont stockés localement dans les centrales nucléaires dans des bassins d’eau, qui absorbent une partie de la chaleur restante produite par le combustible usé et contribuent à protéger les travailleurs de l’exposition aux radiations.

L’un des problèmes du combustible nucléaire usé est qu’il a été altéré par le processus de fission. Lorsque de gros atomes d’uranium sont divisés, ils créent des sous-produits : des isotopes radioactifs de plusieurs éléments légers tels que le césium 137 et le strontium 90, appelés. produits de fission. Ils sont chauds et très radioactifs, mais ils finissent par se désintégrer sur une période de 30 ans. formes dangereuses. Cette période est appelée pour eux npériodeohmdemi-vie. D'autres éléments radioactifs auront des demi-vies différentes. De plus, certains atomes d’uranium capturent également des neutrons, formant ainsi des éléments plus lourds comme le plutonium. Ces éléments transuraniens ne créent pas autant de chaleur ou de rayonnement pénétrant que les produits de fission, mais leur désintégration prend beaucoup plus de temps. Le plutonium 239, par exemple, a une demi-vie de 24 000 ans.

Ces radioactifedéchetss haut niveau des réacteurs sont dangereux pour les humains et d’autres formes de vie car ils peuvent libérer d’énormes doses mortelles de rayonnement, même à la suite d’une courte exposition. Dix ans après avoir retiré le combustible restant du réacteur, par exemple, ils émettent 200 fois plus de radioactivité par heure qu’il n’en faudrait pour tuer une personne. Et si les déchets finissent dans eaux souterraines ou des rivières, ils peuvent tomber dans chaîne alimentaire et met en danger un grand nombre de personnes.

Les déchets étant très dangereux, de nombreuses personnes se trouvent dans une situation difficile. 60 000 tonnes de déchets se trouvent dans les centrales nucléaires proches de grandes villes. Mais trouver un endroit sûr pour stocker les déchets n’est pas chose facile.

Qu'est-ce qui peut mal se passer avec un réacteur nucléaire ?

Alors que les régulateurs gouvernementaux reviennent sur leur expérience, les ingénieurs ont consacré beaucoup de temps au fil des années à concevoir des réacteurs pour une sécurité optimale. C'est juste qu'ils ne tombent pas en panne, ne fonctionnent pas correctement et ne disposent pas de mesures de sécurité de secours si quelque chose ne se passe pas comme prévu. En conséquence, année après année, les centrales nucléaires semblent relativement sûres comparées, par exemple, au transport aérien, qui tue régulièrement entre 500 et 1 100 personnes par an dans le monde.

Cependant, les réacteurs nucléaires subissent des pannes importantes. Sur l'échelle internationale des événements nucléaires, qui évalue les accidents de réacteur de 1 à 7, il y a eu cinq accidents depuis 1957 avec une note de 5 à 7.

Le pire cauchemar est une panne du système de refroidissement, qui entraîne une surchauffe du carburant. Le combustible se transforme en liquide puis brûle à travers le confinement, libérant des radiations radioactives. En 1979, la tranche 2 de la centrale nucléaire de Three Mile Island (États-Unis) était à la limite de ce scénario. Heureusement, un système de confinement bien conçu était suffisamment solide pour empêcher les radiations de s’échapper.

L’URSS a eu moins de chance. Un grave accident nucléaire s'est produit en avril 1986 sur la 4e tranche de la centrale nucléaire de Tchernobyl. Cela était dû à une combinaison de pannes du système, de défauts de conception et de personnel mal formé. Lors d'un test de routine, la réaction s'est soudainement intensifiée et les barres de commande se sont bloquées, empêchant un arrêt d'urgence. L'accumulation soudaine de vapeur a provoqué deux explosions thermiques, projetant dans les airs le modérateur en graphite du réacteur. En l’absence de quoi que ce soit pour refroidir les barres de combustible du réacteur, celles-ci ont commencé à surchauffer et à s’effondrer complètement, ce qui a fait que le combustible a pris une forme liquide. De nombreux employés de gare et liquidateurs d'accidents sont morts. Grande quantité le rayonnement s'est répandu sur une superficie de 323 749 kilomètres carrés. Le nombre de décès causés par les radiations est encore incertain, mais Organisation mondiale les responsables de la santé affirment que cela pourrait avoir causé 9 000 décès par cancer.

Les fabricants de réacteurs nucléaires offrent des garanties basées sur évaluation probabilistee, dans lequel ils tentent d’équilibrer le préjudice potentiel d’un événement avec la probabilité qu’il se produise réellement. Mais certains critiques estiment qu’ils devraient plutôt se préparer à des événements rares, inattendus mais extrêmement dangereux. L’accident survenu en mars 2011 à la centrale nucléaire de Fukushima 1 au Japon en est un bon exemple. La station aurait été conçue pour résister fort tremblement de terre, mais pas aussi catastrophique que le séisme de magnitude 9,0 qui a soulevé une vague de tsunami de 14 mètres sur des digues conçues pour résister à une vague de 5,4 mètres. L'assaut du tsunami a détruit les générateurs diesel de secours destinés à alimenter le système de refroidissement des six réacteurs de la centrale en cas de panne de courant. Ainsi, même après que les barres de commande des réacteurs de Fukushima ont arrêté la fission, le combustible encore chaud a maintenu les températures. monter dangereusement à l'intérieur des réacteurs détruits.

Les autorités japonaises ont eu recours à un dernier recours : inonder les réacteurs avec d'énormes quantités de eau de mer avec l'ajout d'acide borique, ce qui a permis d'éviter une catastrophe, mais a détruit l'équipement du réacteur. Finalement, avec l'aide de camions de pompiers et de barges, les Japonais ont pu pomper de l'eau douce dans les réacteurs. Mais à ce moment-là, la surveillance avait déjà montré des niveaux alarmants de radiations dans les terres et les eaux environnantes. Dans un village situé à 40 km de la centrale, l'élément radioactif Césium 137 a été trouvé à des niveaux bien plus élevés qu'après la catastrophe de Tchernobyl, soulevant des doutes sur la possibilité d'une habitation humaine dans la région.

Précédent Suivant

Attention! Les aperçus des diapositives sont fournis à titre informatif uniquement et peuvent ne pas représenter toutes les fonctionnalités de la présentation. Si vous êtes intéressé ce travail, veuillez télécharger la version complète.

Objectifs de la leçon :

• Pédagogique: mettre à jour les connaissances existantes; poursuivre la formation des concepts : fission des noyaux d'uranium, réaction nucléaire en chaîne, conditions de son apparition, masse critique ; introduire de nouveaux concepts : réacteur nucléaire, principaux éléments d'un réacteur nucléaire, structure d'un réacteur nucléaire et principe de son fonctionnement, contrôle d'une réaction nucléaire, classification des réacteurs nucléaires et leur utilisation ;
• Pédagogique: continuer à développer les compétences d’observation et de conclusion, ainsi que développer les capacités intellectuelles et la curiosité des élèves ;
• Pédagogique: continuer à développer une attitude envers la physique en tant que science expérimentale ; cultiver une attitude consciencieuse envers le travail, la discipline et une attitude positive envers la connaissance.

Type de cours : apprendre du nouveau matériel.

Équipement: installation multimédia.

Progression de la leçon

1. Moment organisationnel.

Les gars! Aujourd'hui, dans la leçon, nous répéterons la fission des noyaux d'uranium, la réaction nucléaire en chaîne, les conditions de son apparition, la masse critique, nous apprendrons ce qu'est un réacteur nucléaire, les principaux éléments d'un réacteur nucléaire, la structure d'un réacteur nucléaire et le principe de son fonctionnement, le contrôle d'une réaction nucléaire, la classification des réacteurs nucléaires et leur utilisation.

2. Vérification du matériel étudié.

1. Le mécanisme de fission des noyaux d'uranium.
2. Parlez-nous du mécanisme d’une réaction nucléaire en chaîne.
3. Donnez un exemple de réaction de fission nucléaire d'un noyau d'uranium.
4. Qu’appelle-t-on masse critique ?
5. Comment une réaction en chaîne se produit-elle dans l’uranium si sa masse est inférieure ou supérieure à critique ?
6. Quelle est la masse critique de l’uranium 295 ? Est-il possible de réduire la masse critique ?
7. De quelles manières peut-on modifier le cours d’une réaction nucléaire en chaîne ?
8. A quoi sert de ralentir les neutrons rapides ?
9. Quelles substances sont utilisées comme modérateurs ?
10. En raison de quels facteurs le nombre de neutrons libres dans un morceau d'uranium peut-il être augmenté, garantissant ainsi la possibilité qu'une réaction s'y produise ?

3. Explication du nouveau matériel.

Les gars, répondez à cette question : quelle est la partie principale d’une centrale nucléaire ? ( réacteur nucléaire)

Bien joué. Alors les gars, examinons maintenant ce problème plus en détail.

Informations historiques.

Igor Vasilyevich Kurchatov est un physicien soviétique exceptionnel, académicien, fondateur et premier directeur de l'Institut de l'énergie atomique de 1943 à 1960, directeur scientifique en chef du problème atomique en URSS, l'un des fondateurs de l'utilisation de l'énergie nucléaire à des fins pacifiques. . Académicien de l'Académie des sciences de l'URSS (1943). Tests du premier atomique Bombe soviétique ont été réalisés en 1949. Quatre ans plus tard, les tests réussis du premier bombe à hydrogène. Et en 1949, Igor Vasilyevich Kurchatov a commencé à travailler sur un projet de centrale nucléaire. La centrale nucléaire est le héraut de l’utilisation pacifique de l’énergie atomique. Le projet est mené à bien : le 27 juillet 1954, notre centrale nucléaire devient la première au monde ! Kurchatov s'est réjoui et s'est amusé comme un enfant !

Définition d'un réacteur nucléaire.

Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel est réalisée et entretenue une réaction en chaîne contrôlée de fission de certains noyaux lourds.

Le premier réacteur nucléaire a été construit en 1942 aux États-Unis sous la direction d'E. Fermi. Dans notre pays, le premier réacteur a été construit en 1946 sous la direction de I.V. Kurchatov.

Les principaux éléments d'un réacteur nucléaire sont :

• combustible nucléaire (uranium 235, uranium 238, plutonium 239) ;
• modérateur de neutrons (eau lourde, graphite, etc.) ;
• caloporteur pour évacuer l'énergie générée lors du fonctionnement du réacteur (eau, sodium liquide, etc.) ;
• Barres de contrôle (bore, cadmium) - neutrons hautement absorbants
• Une coque de protection qui bloque les radiations (béton avec apport de fer).

Principe de fonctionnement réacteur nucléaire

Le combustible nucléaire se trouve dans le cœur sous forme de crayons verticaux appelés éléments combustibles (éléments combustibles). Les barres de combustible sont conçues pour réguler la puissance du réacteur.

La masse de chaque crayon combustible est nettement inférieure à la masse critique, de sorte qu'une réaction en chaîne ne peut pas se produire dans un seul crayon. Cela commence une fois que toutes les barres d’uranium sont immergées dans le noyau.

Le noyau est entouré d'une couche de substance qui réfléchit les neutrons (réflecteur) et d'une coque protectrice en béton qui piège les neutrons et autres particules.

Élimination de la chaleur des piles à combustible. Le liquide de refroidissement, de l'eau, lave la tige, chauffée à 300°C sous haute pression, et entre dans les échangeurs de chaleur.

Le rôle de l'échangeur thermique est que l'eau chauffée à 300°C dégage de la chaleur eau ordinaire, se transforme en vapeur.

Contrôle des réactions nucléaires

Le réacteur est contrôlé à l'aide de barres contenant du cadmium ou du bore. Lorsque les barres sont sorties du cœur du réacteur, K > 1, et lorsqu'elles sont complètement rétractées - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Réacteur à neutrons lents.

La fission la plus efficace des noyaux d'uranium 235 se produit sous l'influence de neutrons lents. De tels réacteurs sont appelés réacteurs à neutrons lents. Les neutrons secondaires produits par une réaction de fission sont rapides. Pour que leur interaction ultérieure avec les noyaux d'uranium 235 dans la réaction en chaîne soit la plus efficace possible, ils sont ralentis en introduisant un modérateur dans le noyau - une substance qui réduit l'énergie cinétique des neutrons.

Réacteur à neutrons rapides.

Les réacteurs à neutrons rapides ne peuvent pas fonctionner avec de l'uranium naturel. La réaction ne peut être maintenue que dans un mélange enrichi contenant au moins 15 % d'isotope d'uranium. L’avantage des réacteurs à neutrons rapides est que leur fonctionnement produit une quantité importante de plutonium, qui peut ensuite être utilisée comme combustible nucléaire.

Réacteurs homogènes et hétérogènes.

Les réacteurs nucléaires, en fonction de l'emplacement relatif du combustible et du modérateur, sont divisés en homogènes et hétérogènes. Dans un réacteur homogène, le cœur est une masse homogène de combustible, de modérateur et de liquide de refroidissement sous forme de solution, de mélange ou de matière fondue. Un réacteur dans lequel du combustible sous forme de blocs ou d'assemblages combustibles est placé dans un modérateur, y formant un réseau géométrique régulier, est dit hétérogène.

Conversion de l'énergie interne des noyaux atomiques en énergie électrique.

Un réacteur nucléaire est l'élément principal d'une centrale nucléaire (NPP), qui convertit l'énergie nucléaire thermique en énergie électrique. La conversion d'énergie s'effectue selon le schéma suivant :

• énergie interne des noyaux d'uranium -
• énergie cinétique des neutrons et des fragments nucléaires -
• énergie interne de l'eau -
• énergie interne de la vapeur -
• énergie cinétique de la vapeur -
• énergie cinétique du rotor de la turbine et du rotor du générateur -
• énergie électrique.

Utilisation de réacteurs nucléaires.

Selon leur destination, les réacteurs nucléaires peuvent être des réacteurs de puissance, de conversion et surgénérateurs, de recherche et polyvalents, de transport et industriels.

Les réacteurs nucléaires sont utilisés pour produire de l'électricité dans les centrales nucléaires, les navires centrales électriques, les centrales nucléaires thermiques, ainsi que dans les centrales de production de chaleur nucléaire.

Les réacteurs conçus pour produire du combustible nucléaire secondaire à partir d'uranium naturel et de thorium sont appelés convertisseurs ou surgénérateurs. Dans le réacteur convertisseur, le combustible nucléaire secondaire produit moins que ce qui était initialement consommé.

Dans un réacteur surgénérateur, une reproduction élargie du combustible nucléaire est réalisée, c'est-à-dire il s'avère que plus que ce qui a été dépensé.

Les réacteurs de recherche sont utilisés pour étudier les processus d'interaction des neutrons avec la matière, étudier le comportement des matériaux des réacteurs dans des domaines intenses de rayonnement neutronique et gamma, la recherche radiochimique et biologique, la production d'isotopes et la recherche expérimentale sur la physique des réacteurs nucléaires.

Les réacteurs ont puissance différente, mode de fonctionnement stationnaire ou pulsé. Les réacteurs polyvalents sont ceux qui servent à plusieurs fins, telles que la production d'énergie et la production de combustible nucléaire.

Catastrophes environnementales dans les centrales nucléaires

• 1957 – accident en Grande-Bretagne
• 1966 – fusion partielle du cœur après une panne de refroidissement du réacteur près de Détroit.
• 1971 : une grande quantité d'eau polluée s'est déversée dans la rivière américaine
• 1979 – le plus grand accident aux États-Unis
• 1982 – rejet de vapeur radioactive dans l’atmosphère
• 1983 – terrible accident au Canada (de l'eau radioactive s'est écoulée pendant 20 minutes - une tonne par minute)
• 1986 – accident en Grande-Bretagne
• 1986 – accident en Allemagne
• 1986 – Centrale nucléaire de Tchernobyl
• 1988 – incendie dans une centrale nucléaire au Japon

Les centrales nucléaires modernes sont équipées de PC, mais auparavant, même après un accident, les réacteurs continuaient à fonctionner, puisqu'il n'y avait pas système automatique arrêts.

4. Fixation du matériel.

1. Comment s’appelle un réacteur nucléaire ?
2. Qu'est-ce que le combustible nucléaire dans un réacteur ?
3. Quelle substance sert de modérateur de neutrons dans un réacteur nucléaire ?
4. A quoi sert un modérateur de neutrons ?
5. A quoi servent les barres de contrôle ? Comment sont-ils utilisés ?
6. Qu'est-ce qui est utilisé comme caloporteur dans les réacteurs nucléaires ?
7. Pourquoi est-il nécessaire que la masse de chaque barreau d’uranium soit inférieure à la masse critique ?

5. Exécution des tests.

1. Quelles particules sont impliquées dans la fission des noyaux d’uranium ?
   A. des protons ;
   B. les neutrons ;
   B. des électrons ;
   G. noyaux d'hélium.
2. Quelle masse d’uranium est critique ?
   A. le plus grand auquel une réaction en chaîne est possible ;
   B. n'importe quelle masse ;
   B. le plus petit auquel une réaction en chaîne est possible ;
   D. la masse à laquelle la réaction s'arrêtera.
3. Quelle est la masse critique approximative de l’uranium 235 ?
   R. 9 kg ;
   B. 20 kg ;
   B. 50 kg ;
   G. 90 kg.
4. Parmi les substances suivantes, lesquelles peuvent être utilisées dans les réacteurs nucléaires comme modérateurs de neutrons ?
   A. graphite;
   B.cadmium;
   B. eau lourde ;
   G. bore.
5. Pour qu’une réaction nucléaire en chaîne se produise dans une centrale nucléaire, le facteur de multiplication des neutrons doit être :
   A. est égal à 1 ;
   B. plus de 1 ;
   V. inférieur à 1.
6. Le taux de fission des noyaux d'atomes lourds dans les réacteurs nucléaires est régulé :
   A. en raison de l'absorption de neutrons lors de l'abaissement des tiges avec un absorbeur ;
   B. en raison d'une augmentation de l'évacuation de la chaleur avec une augmentation de la vitesse du liquide de refroidissement ;
   B. en augmentant l'offre d'électricité aux consommateurs ;
   G. en réduisant la masse de combustible nucléaire dans le cœur lors du retrait des crayons contenant du combustible.
7. Quelles transformations énergétiques se produisent dans un réacteur nucléaire ?
   A. l'énergie interne des noyaux atomiques est convertie en énergie lumineuse ;
   B. l'énergie interne des noyaux atomiques est convertie en énergie mécanique ;
   B. l'énergie interne des noyaux atomiques est convertie en énergie électrique ;
   D. Aucune des réponses n’est correcte.
8. En 1946, le premier réacteur nucléaire est construit en Union soviétique. Qui était le leader de ce projet ?
   A.S. Korolev ;
   B.I. Kourtchatov ;
   V.D. Sakharov ;
   G.A. Prokhorov.
9. Quelle voie considérez-vous comme la plus acceptable pour accroître la fiabilité des centrales nucléaires et prévenir la contamination de l’environnement extérieur ?
   A. développement de réacteurs capables de refroidir automatiquement le cœur du réacteur quelle que soit la volonté de l'exploitant ;
   B. accroître les connaissances sur l'exploitation des centrales nucléaires, le niveau de préparation professionnelle des exploitants de centrales nucléaires ;
   B. développement de technologies hautement efficaces pour le démantèlement et le retraitement des centrales nucléaires déchets radioactifs;
   D. emplacement des réacteurs en profondeur ;
   D. refus de construire et d'exploiter une centrale nucléaire.
10. Quelles sources de pollution environnementale sont associées à l’exploitation des centrales nucléaires ?
    A. industrie de l'uranium ;
    B. réacteurs nucléaires différents types;
    B. industrie radiochimique ;
    D. les sites de traitement et d'élimination des déchets radioactifs ;
    D. utilisation des radionucléides dans l'économie nationale ;
    E. explosions nucléaires.

Réponses: 1B; 2 V ; 3 V ; 4A, B; 5 A ; 6 A ; 7 V ;. 8B ; 9 B.V. ; 10A, B, C, D, E.

6. Résumé de la leçon.

Qu'avez-vous appris de nouveau en classe aujourd'hui ?

Qu’avez-vous aimé dans la leçon ?

Quelles questions avez-vous ?

MERCI POUR VOTRE TRAVAIL DANS LA LEÇON !

Aujourd'hui, nous ferons un petit voyage dans le monde de la physique nucléaire. Le thème de notre excursion sera un réacteur nucléaire. Vous apprendrez comment il fonctionne, quels principes physiques sous-tendent son fonctionnement et où cet appareil est utilisé.

La naissance de l'énergie nucléaire

Le premier réacteur nucléaire au monde a été créé en 1942 aux États-Unis groupe expérimental de physiciens dirigé par le lauréat Prix ​​Nobel Enrico Fermi. Dans le même temps, ils ont procédé à une réaction auto-entretenue de fission de l’uranium. Le génie atomique est sorti.

Le premier réacteur nucléaire soviétique a été lancé en 1946, et 8 ans plus tard, la première centrale nucléaire au monde, dans la ville d'Obninsk, produisait du courant. Le directeur scientifique en chef des travaux de l'industrie de l'énergie nucléaire de l'URSS était un physicien exceptionnel. Igor Vasilievich Kurchatov.

Depuis, plusieurs générations de réacteurs nucléaires ont changé, mais les principaux éléments de sa conception sont restés inchangés.

Anatomie d'un réacteur nucléaire

Cette installation nucléaire est une cuve en acier à paroi épaisse, d'une capacité cylindrique allant de quelques centimètres cubes à plusieurs mètres cubes.

A l'intérieur de ce cylindre se trouve le Saint des Saints - coeur du réacteur. C’est là que se produit la réaction en chaîne de fission nucléaire.

Voyons comment ce processus se déroule.

Noyaux d'éléments lourds, en particulier Uranium-235 (U-235), sous l'influence d'un petit choc énergétique, ils sont capables de se désagréger en 2 fragments de masse à peu près égale. L'agent causal de ce processus est le neutron.

Les fragments sont le plus souvent des noyaux de baryum et de krypton. Chacun d'eux porte une charge positive, donc les forces de répulsion coulombiennes les forcent à se séparer. différents côtésà environ 1/30 de la vitesse de la lumière. Ces fragments sont porteurs d’une énergie cinétique colossale.

Pour utilisation pratique l'énergie, il faut que sa libération soit auto-entretenue. Réaction en chaîne, La fission en question est particulièrement intéressante car chaque événement de fission s'accompagne de l'émission de nouveaux neutrons. En moyenne, 2 à 3 nouveaux neutrons sont produits par neutron initial. Le nombre de noyaux d'uranium fissile augmente comme une avalanche, provoquant la libération d’une énorme énergie. Si ce processus n'est pas contrôlé, cela arrivera explosion nucléaire. Cela se déroule en .

Pour réguler le nombre de neutrons des matériaux absorbant les neutrons sont introduits dans le système, assurant une libération douce de l’énergie. Le cadmium ou le bore sont utilisés comme absorbeurs de neutrons.

Comment freiner et utiliser l’énorme énergie cinétique des fragments ? Le liquide de refroidissement est utilisé à ces fins, c'est-à-dire un environnement particulier, en mouvement dans lequel les fragments sont ralentis et chauffés à l'extrême températures élevées. Un tel milieu peut être de l'eau ordinaire ou lourde, des métaux liquides (sodium), ainsi que certains gaz. Afin de ne pas provoquer la transition du liquide de refroidissement à l'état de vapeur, dans le noyau est pris en charge hypertension artérielle(jusqu'à 160 guichets automatiques). Pour cette raison, les parois du réacteur sont constituées d'acier de dix centimètres de qualités spéciales.

Si les neutrons sortent du combustible nucléaire, la réaction en chaîne peut être interrompue. Il existe donc une masse critique de matières fissiles, c’est-à-dire sa masse minimale à laquelle une réaction en chaîne sera maintenue. Elle dépend de différents paramètres, dont la présence d'un réflecteur entourant le cœur du réacteur. Il sert à empêcher les fuites de neutrons dans l’environnement. Le matériau le plus courant pour cet élément structurel est le graphite.

Les processus se produisant dans le réacteur s'accompagnent de la libération du aspect dangereux rayonnement – ​​rayonnement gamma. Pour minimiser ce danger, il est équipé d'une protection anti-radiation.

Comment fonctionne un réacteur nucléaire ?

Le combustible nucléaire, appelé barres de combustible, est placé dans le cœur du réacteur. Ce sont des comprimés formés à partir de matière fissile et placés dans des tubes minces d'environ 3,5 m de long et 10 mm de diamètre.

Des centaines d’assemblages combustibles similaires sont placés dans le cœur et deviennent des sources d’énergie thermique libérée lors de la réaction en chaîne. Le liquide de refroidissement circulant autour des crayons de combustible forme le premier circuit du réacteur.

Chauffée à des paramètres élevés, elle est pompée dans un générateur de vapeur, où elle transfère son énergie à l'eau du circuit secondaire, la transformant en vapeur. La vapeur résultante fait tourner le turbogénérateur. L'électricité générée par cette unité est transmise au consommateur. Et la vapeur d'échappement, refroidie par l'eau du bassin de refroidissement, sous forme de condensat, retourne au générateur de vapeur. Le cycle est terminé.

Ce fonctionnement en double circuit d'une installation nucléaire élimine la pénétration des rayonnements accompagnant les processus se déroulant dans le cœur au-delà de ses limites.

Ainsi, une chaîne de transformations d'énergie se produit dans le réacteur : énergie nucléaire de la matière fissible → en énergie cinétique des fragments → énergie thermique du liquide de refroidissement → énergie cinétique de la turbine → et en énergie électrique dans le générateur.

Les pertes d'énergie inévitables entraînent Le rendement des centrales nucléaires est relativement faible, 33 à 34 %.

En plus de produire de l'énergie électrique dans les centrales nucléaires, les réacteurs nucléaires sont utilisés pour produire divers isotopes radioactifs, pour la recherche dans de nombreux domaines industriels et pour étudier les paramètres admissibles des réacteurs industriels. De plus en plus répandu on obtient des réacteurs de transport qui fournissent de l'énergie aux moteurs des véhicules.

Types de réacteurs nucléaires

Généralement, les réacteurs nucléaires fonctionnent à l’uranium U-235. Cependant, sa teneur en matière naturelle est extrêmement faible, seulement 0,7 %. La majeure partie de l'uranium naturel est l'isotope U-238. Seuls les neutrons lents peuvent provoquer une réaction en chaîne dans l'U-235, et l'isotope U-238 n'est divisé que par les neutrons rapides. À la suite de la division du noyau, naissent des neutrons lents et rapides. Les neutrons rapides, soumis à une inhibition dans le liquide de refroidissement (eau), deviennent lents. Mais la quantité d'isotope U-235 dans l'uranium naturel est si faible qu'il est nécessaire de recourir à son enrichissement, portant sa concentration à 3-5 %. Ce procédé est très coûteux et économiquement peu rentable. En plus, le temps presse ressources naturelles On estime que cet isotope ne dure que 100 à 120 ans.

Ainsi, dans l’industrie nucléaire Il y a une transition progressive vers des réacteurs fonctionnant aux neutrons rapides.

Leur principale différence est que les métaux liquides sont utilisés comme caloporteur, ce qui ne ralentit pas les neutrons, et que l'U-238 est utilisé comme combustible nucléaire. Les noyaux de cet isotope passent par une chaîne de transformations nucléaires en Plutonium-239, qui subit une réaction en chaîne au même titre que l'U-235. Autrement dit, le combustible nucléaire est reproduit, et en quantités dépassant sa consommation.

Selon les experts les réserves de l'isotope Uranium-238 devraient suffire pour 3000 ans. Ce temps est suffisant pour que l’humanité ait suffisamment de temps pour développer d’autres technologies.

Problèmes liés à l'utilisation de l'énergie nucléaire

Outre les avantages évidents de l'énergie nucléaire, l'ampleur des problèmes liés à l'exploitation des installations nucléaires ne peut être sous-estimée.

Le premier est élimination des déchets radioactifs et des équipements démantelésénergie nucléaire. Ces éléments ont un rayonnement de fond actif qui persiste pendant une longue période. Pour éliminer ces déchets, des conteneurs spéciaux en plomb sont utilisés. Ils sont censés être enterrés dans des zones pergélisolà une profondeur allant jusqu'à 600 mètres. Par conséquent, des travaux sont constamment en cours pour trouver un moyen de recycler les déchets radioactifs, ce qui devrait résoudre le problème de l'élimination et contribuer à préserver l'écologie de notre planète.

Le deuxième problème, non moins grave, est assurer la sécurité pendant l'exploitation de la centrale nucléaire. Des accidents majeurs comme Tchernobyl peuvent emporter de nombreuses victimes vies humaines et mettre de vastes zones hors d'usage.

L'accident survenu à la centrale nucléaire japonaise de Fukushima-1 n'a fait que confirmer le danger potentiel qui se manifeste lorsqu'une situation d'urgence survient dans les installations nucléaires.

Cependant, les possibilités de l'énergie nucléaire sont si grandes que problèmes environnementaux se fondre dans l'arrière-plan.

Aujourd’hui, l’humanité n’a pas d’autre moyen de satisfaire sa faim énergétique toujours croissante. La base de l’énergie nucléaire du futur sera probablement constituée de réacteurs « rapides » ayant pour fonction de reproduire le combustible nucléaire.

Si ce message vous a été utile, je serais ravi de vous revoir

Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel se produit une réaction nucléaire en chaîne contrôlée, accompagnée d'une libération d'énergie.

Histoire

Une réaction en chaîne contrôlée et autonome de fission nucléaire (réaction en chaîne en abrégé) a été réalisée pour la première fois en décembre 1942. Un groupe de physiciens Université de Chicago, dirigé par E.Fermi, a construit le premier réacteur nucléaire au monde, appelé SR-1. Il s'agissait de blocs de graphite, entre lesquels se trouvaient des boules d'uranium naturel et de son dioxyde. Neutrons rapides apparaissant après la fission nucléaire 235U, ont été ralentis par le graphite jusqu'aux énergies thermiques, puis ont provoqué de nouvelles fissions nucléaires. Les réacteurs comme le SR-1, dans lesquels la majorité des fissions se produisent sous l'influence de neutrons thermiques, sont appelés réacteurs à neutrons thermiques. Ils contiennent beaucoup de modérateur par rapport à l'uranium.

DANS URSS des études théoriques et expérimentales sur les caractéristiques de démarrage, d'exploitation et de contrôle des réacteurs ont été réalisées par un groupe de physiciens et d'ingénieurs sous la direction de l'académicien I. V. Kurchatova. Le premier réacteur soviétique F1 placé dans un état critique le 25 décembre 1946. Le réacteur F-1 est constitué de blocs de graphite et a la forme d'une boule d'un diamètre d'environ 7,5 m. Dans la partie centrale de la boule d'un diamètre de 6 m, de l'uranium. les tiges sont placées dans des trous dans les blocs de graphite. Les résultats des recherches sur le réacteur F-1 sont devenus la base de projets de réacteurs industriels plus complexes. En 1949, un réacteur pour la production de plutonium est mis en service et le 27 juin 1954, la première centrale nucléaire au monde d'une capacité électrique de 5 MW entre en service à Obninsk.

Conception et principe de fonctionnement

Mécanisme de libération d'énergie

La transformation de la substance s'accompagne de la libération énergie gratuite seulement si la substance dispose d'une réserve d'énergie. Ce dernier signifie que les microparticules d'une substance sont dans un état avec une énergie de repos supérieure à celle d'un autre état possible vers lequel il existe une transition. Une transition spontanée est toujours empêchée par une barrière énergétique, pour surmonter laquelle la microparticule doit recevoir une certaine quantité d'énergie de l'extérieur - l'énergie d'excitation. La réaction exoénergétique consiste dans le fait que lors de la transformation suivant l'excitation, plus d'énergie est libérée qu'il n'en faut pour exciter le processus. Il existe deux manières de surmonter la barrière énergétique : soit grâce à l'énergie cinétique des particules en collision, soit grâce à l'énergie de liaison de la particule qui se joint.

Si nous gardons à l’esprit l’échelle macroscopique de libération d’énergie, alors toutes, ou au moins une partie des particules de la substance, doivent avoir l’énergie cinétique nécessaire pour exciter des réactions. Ceci n'est réalisable qu'en augmentant la température du milieu jusqu'à une valeur à laquelle l'énergie du mouvement thermique se rapproche du seuil énergétique limitant le déroulement du processus. Dans le cas de transformations moléculaires, c'est-à-dire de réactions chimiques, une telle augmentation est généralement de plusieurs centaines de degrés Kelvin, mais dans le cas de réactions nucléaires- il s'agit d'un minimum de 107°K dû à la très grande hauteur des barrières coulombiennes des noyaux en collision. L'excitation thermique des réactions nucléaires n'est réalisée en pratique que lors de la synthèse des noyaux les plus légers, dans lesquels les barrières coulombiennes sont minimes ( fusion thermonucléaire). L'excitation en joignant des particules ne nécessite pas une grande énergie cinétique et ne dépend donc pas de la température du milieu, car elle se produit en raison de liaisons inutilisées inhérentes aux forces d'attraction des particules. Mais pour susciter des réactions, les particules elles-mêmes sont nécessaires. Et si encore une fois nous n'entendons pas un acte de réaction séparé, mais la production d'énergie à l'échelle macroscopique, alors cela n'est possible que lorsqu'une réaction en chaîne se produit. Cette dernière se produit lorsque les particules qui excitent la réaction réapparaissent comme produits d’une réaction exoénergétique.

Structure schématique d'un réacteur à neutrons thermiques hétérogène1 - barre de commande ; 2 - protection biologique ; 3 - protection thermique ; 4 - modérateur ; 5 - combustible nucléaire ; 6 - liquide de refroidissement.

Conception schématique d'un réacteur à neutrons thermiques hétérogène

tige de commande;

protection biologique;

protection thermique;

modérateur;

combustible nucléaire;

liquide de refroidissement.

Conception

Tout réacteur nucléaire se compose des éléments suivants :

Noyau avec combustible nucléaire et modérateur ;

Réflecteur de neutrons entourant le noyau ;

Liquide de refroidissement ;

Système de contrôle de réaction en chaîne, y compris protection d'urgence

Radioprotection

Système de contrôle à distance

La principale caractéristique du réacteur est sa puissance de sortie. Une puissance de 1 MW correspond à une réaction en chaîne dans laquelle se produisent 3,1016 fissions en 1 seconde.

Principes physiques de fonctionnement

L'état actuel d'un réacteur nucléaire peut être caractérisé par le facteur de multiplication neutronique effectif k ou la réactivité ρ, qui sont liés par la relation suivante :

Les valeurs suivantes sont typiques pour ces quantités :

k > 1 - la réaction en chaîne augmente avec le temps, le réacteur est dans un état supercritique, sa réactivité ρ > 0 ;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - le nombre de fissions nucléaires est constant, le réacteur est dans un état critique stable.

Condition de criticité pour un réacteur nucléaire :

ω est la part numéro complet neutrons générés dans le réacteur, absorbés dans le cœur du réacteur, ou probabilité que les neutrons évitent les fuites du volume final.

k 0 est le facteur de multiplication des neutrons dans un noyau infiniment grand.

L'inversion du facteur de multiplication à l'unité est obtenue en équilibrant la multiplication des neutrons avec leurs pertes. Il y a en réalité deux raisons aux pertes : la capture sans fission et la fuite des neutrons hors du milieu de reproduction.

Il est évident que k< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 pour les réacteurs thermiques peut être déterminé à l'aide de la « formule à 4 facteurs » :

μ - facteur de multiplication des neutrons rapides ;

φ est la probabilité d'éviter la capture résonante ;

θ - facteur d'utilisation des neutrons thermiques ;

η est le rendement en neutrons par absorption.

Les volumes des réacteurs de puissance modernes peuvent atteindre des centaines de m3 et sont déterminés principalement non par les conditions de criticité, mais par les capacités d'évacuation de la chaleur.

Le volume critique d'un réacteur nucléaire est le volume du cœur du réacteur dans un état critique. La masse critique est la masse de matière fissile dans un réacteur qui se trouve dans un état critique.

Les réacteurs dans lesquels le combustible est constitué de solutions aqueuses de sels d'isotopes fissiles purs avec un réflecteur de neutrons à eau ont la masse critique la plus faible. Pour 235 U, cette masse est de 0,8 kg, pour 239 Pu - 0,5 kg. Théoriquement, le 251 Cf possède la plus petite masse critique, pour laquelle cette valeur n'est que de 10 g.

Afin de réduire les fuites de neutrons, le noyau prend une forme sphérique ou proche de la sphère, par exemple un cylindre ou un cube court, car ces figures ont le plus petit rapport surface/volume.

Malgré le fait que la valeur de (e - 1) soit généralement faible, le rôle de la reproduction de neutrons rapides est assez important, puisque pour les grands réacteurs nucléaires (K∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Pour déclencher une réaction en chaîne, les neutrons produits lors de la fission spontanée des noyaux d’uranium suffisent généralement. Il est également possible d'utiliser une source externe de neutrons pour démarrer le réacteur, par exemple un mélange de Ra et Be, 252 Cf ou d'autres substances.

Fosse à iode

La fosse d'iode est un état d'un réacteur nucléaire après son arrêt, caractérisé par l'accumulation d'un isotope à courte durée de vie du xénon (135 Xe). Ce processus conduit à l'apparition temporaire d'une réactivité négative importante, qui, à son tour, rend impossible l'amenée du réacteur à sa capacité nominale dans un certain délai (environ 1 à 2 jours).

Classification

Par nature d'utilisation

Selon la nature de leur utilisation, les réacteurs nucléaires sont divisés en :

Réacteurs expérimentaux destinés à étudier diverses grandeurs physiques dont l'importance est nécessaire à la conception et à l'exploitation des réacteurs nucléaires ; la puissance de tels réacteurs ne dépasse pas plusieurs kW ;

Réacteurs de recherche, dans lesquels les flux de neutrons et de quanta γ créés dans le cœur sont utilisés pour la recherche dans le domaine de la physique nucléaire, de la physique du solide, de la chimie des rayonnements, de la biologie, pour tester des matériaux destinés à fonctionner dans des flux de neutrons intenses (y compris . pièces des réacteurs nucléaires), pour la production d'isotopes. La puissance des réacteurs de recherche ne dépasse pas 100 MW ; L’énergie libérée n’est généralement pas utilisée.

Réacteurs isotopiques (armes, industriels) utilisés pour produire des isotopes utilisés dans les armes nucléaires, par exemple le 239Pu.

Réacteurs énergétiques destinés à produire de l'énergie électrique et thermique utilisée dans le secteur de l'énergie, pour le dessalement de l'eau, pour alimenter les centrales électriques des navires, etc. ; La puissance thermique d'un réacteur énergétique moderne atteint 3 à 5 GW.

Selon le spectre neutronique

Réacteur à neutrons thermiques (« réacteur thermique »)

Réacteur à neutrons rapides (« réacteur rapide »)

Réacteur à neutrons intermédiaire

Par placement de combustible

Les réacteurs hétérogènes, où le combustible est placé discrètement dans le cœur sous forme de blocs, entre lesquels se trouve un modérateur ;

Réacteurs homogènes, où le combustible et le modérateur forment un mélange homogène (système homogène).

Les blocs de combustible nucléaire dans un réacteur hétérogène sont appelés éléments combustibles (éléments combustibles), qui sont placés dans le cœur aux nœuds d'un réseau régulier, formant des cellules.

Par type de carburant

Par degré d'enrichissement :

Uranium naturel

Uranium légèrement enrichi

Isotope fissile pur

Par composition chimique :

métal U

UO 2 (dioxyde d'uranium)

UC (carbure d'uranium), etc.

Par type de liquide de refroidissement

H 2 O (eau, voir réacteur eau-eau)

Gaz, (voir Réacteur graphite-gaz)

Réacteur refroidi organique

Réacteur refroidi par métal liquide

Réacteur à sels fondus

Par type de modérateur

C (graphite, voir Réacteur graphite-gaz, Réacteur graphite-eau)

H 2 O (eau, voir Réacteur à eau légère, Réacteur eau-eau, VVER)

D 2 O (eau lourde, voir Réacteur nucléaire à eau lourde, CANDU)

Hydrures métalliques

Sans ralentisseur

Par conception

Réacteurs à cuve

Réacteurs à canaux

Par méthode de génération de vapeur

Réacteur avec générateur de vapeur externe

Réacteur bouillant

Au début du 21e siècle, les plus courants sont les réacteurs nucléaires hétérogènes utilisant des neutrons thermiques avec modérateurs - H 2 O, C, D 2 O et caloporteurs - H 2 O, gaz, D 2 O, par exemple eau-eau VVER , chaîne RBMK.

Les réacteurs rapides sont également prometteurs. Le combustible qu'ils contiennent est du 238U, ce qui permet d'améliorer l'utilisation du combustible nucléaire des dizaines de fois par rapport aux réacteurs thermiques, ce qui augmente considérablement les ressources de l'énergie nucléaire.

Matériaux de réacteur

Les matériaux à partir desquels les réacteurs sont construits fonctionnent à haute température dans le domaine des neutrons, des quanta γ et des fragments de fission. Par conséquent, tous les matériaux utilisés dans d’autres branches technologiques ne conviennent pas à la construction de réacteurs. Lors du choix des matériaux pour réacteurs, leur résistance aux radiations, leur inertie chimique, leur section efficace d'absorption et d'autres propriétés sont prises en compte.

Les coques des éléments combustibles, les canaux et les modérateurs (réflecteurs) sont fabriqués à partir de matériaux avec de petites sections efficaces d'absorption. L'utilisation de matériaux qui absorbent faiblement les neutrons réduit la consommation inutile de neutrons, réduit la charge de combustible nucléaire et augmente le coefficient de reproduction des neutrons. Pour les tiges absorbantes, au contraire, des matériaux avec une grande section d'absorption conviennent. Cela réduit considérablement le nombre de barres nécessaires au contrôle du réacteur.

Les neutrons rapides, les quanta gamma et les fragments de fission endommagent la structure de la matière. Ainsi, dans la matière solide, les neutrons rapides font sortir les atomes du réseau cristallin ou les déplacent. En conséquence, les propriétés plastiques et la conductivité thermique des matériaux se détériorent. Les molécules complexes sont décomposées par rayonnement en molécules plus simples ou en atomes constitutifs. Par exemple, l'eau se décompose en oxygène et en hydrogène. Ce phénomène est connu sous le nom de radiolyse de l'eau.

L’instabilité des matériaux aux rayonnements a moins d’effet à haute température. La mobilité des atomes devient si grande que la probabilité de retour des atomes expulsés du réseau cristallin à leur place ou de recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène en une molécule d'eau augmente considérablement. Ainsi, la radiolyse de l'eau est insignifiante dans les réacteurs énergétiques sans ébullition (par exemple VVER), tandis que dans les réacteurs de recherche puissants, une quantité importante de mélange explosif est libérée. Les réacteurs disposent de systèmes spéciaux pour le brûler.

Les matériaux des réacteurs sont en contact les uns avec les autres (gaine de combustible avec caloporteur et combustible nucléaire, cassettes de combustible avec caloporteur et modérateur, etc.). Bien entendu, les matériaux en contact doivent être chimiquement inertes (compatibles). Un exemple d'incompatibilité est l'uranium et l'eau chaude entrant dans une réaction chimique.

Pour la plupart des matériaux, les propriétés de résistance se détériorent fortement avec l'augmentation de la température. Dans les réacteurs de puissance, les matériaux de structure fonctionnent à des températures élevées. Cela limite le choix des matériaux de construction, notamment pour les parties du réacteur de puissance qui doivent résister à des pressions élevées.

Burnout et reproduction du combustible nucléaire

Lors du fonctionnement d'un réacteur nucléaire, en raison de l'accumulation de fragments de fission dans le combustible, sa composition isotopique et chimique change et des éléments transuraniens, principalement des isotopes Pu, se forment. L'effet des fragments de fission sur la réactivité d'un réacteur nucléaire est appelé empoisonnement (pour les fragments radioactifs) et scorification (pour les isotopes stables).

La principale cause d'empoisonnement du réacteur est le 135 Xe, qui possède la plus grande section efficace d'absorption des neutrons (2,6 · 106 barn). Demi-vie du 135 Xe T½ = 9,2 heures ; Le rendement de fission est de 6 à 7 %. La majeure partie du 135Xe est formée à la suite de la désintégration du 135I (T½ = 6,8 h). En cas d'intoxication, le Cef change de 1 à 3 %. La grande section efficace d'absorption du 135 Xe et la présence de l'isotope intermédiaire 135 I conduisent à deux phénomènes importants :

À une augmentation de la concentration en 135 Xe et, par conséquent, à une diminution de la réactivité du réacteur après son arrêt ou sa réduction de puissance (« puits à iode »), ce qui rend impossibles les arrêts de courte durée et les fluctuations de la puissance de sortie . Cet effet est surmonté par l'introduction d'une réserve de réactivité dans les organismes de réglementation. La profondeur et la durée du puits d'iode dépendent du flux de neutrons Ф : à Ф = 5·1018 neutrons/(cm 2 ·sec), la durée du puits d'iode est de ˜ 30 heures et la profondeur est 2 fois supérieure à la profondeur stationnaire. modification du Kef provoquée par un empoisonnement au 135 Xe.

En raison d'un empoisonnement, des fluctuations spatio-temporelles du flux de neutrons F et, par conséquent, de la puissance du réacteur peuvent se produire. Ces oscillations se produisent à Ф > 1018 neutrons/(cm 2 sec) et dans des réacteurs de grande taille. Périodes d'oscillation ˜ 10 heures.

Quand se produit la fission nucléaire grand nombre fragments stables qui diffèrent par leurs sections efficaces d'absorption par rapport à la section efficace d'absorption de l'isotope fissile. Concentration de fragments avec grande valeur La section efficace d’absorption atteint sa saturation dès les premiers jours de fonctionnement du réacteur. Il s'agit principalement de 149Sm, ce qui fait varier le Kef de 1%). La concentration des fragments ayant une faible section efficace d'absorption et la réactivité négative qu'ils introduisent augmentent linéairement avec le temps.

La formation d'éléments transuraniens dans un réacteur nucléaire se déroule selon les schémas suivants :

235 U + n → 236 U + n → 237 U → (7 jours) → 237 Np + n → 238 Np → (2,1 jours) → 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 min)→ 239 Np →(2,3 jours)→ 239 Pu (+fragments) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+fragments) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Le temps entre les flèches indique la demi-vie, "+n" indique l'absorption des neutrons.

Au début du fonctionnement du réacteur, une accumulation linéaire de 239 Pu se produit, et plus l'enrichissement de l'uranium est rapide (avec une combustion fixe de 235 U). De plus, la concentration de 239 Pu tend vers une valeur constante, qui ne dépend pas du degré d'enrichissement, mais est déterminée par le rapport des sections efficaces de capture de neutrons de 238 U et 239 Pu. Le temps caractéristique pour l'établissement de la concentration d'équilibre est de 239 Pu ˜ 3/F années (F en unités de 1013 neutrons/cm 2 ×sec). Les isotopes 240 Pu et 241 Pu n'atteignent des concentrations d'équilibre que lorsque le combustible est recombusqué dans un réacteur nucléaire après régénération du combustible nucléaire.

La combustion du combustible nucléaire est caractérisée par l'énergie totale libérée dans le réacteur pour 1 combustible. Cette valeur est :

˜ 10 GW jour/t - réacteurs à eau lourde ;

˜ 20-30 GW jour/t - réacteurs utilisant de l'uranium faiblement enrichi (2-3% 235U) ;

jusqu'à 100 GW jour/t - réacteurs à neutrons rapides.

Un taux de combustion de 1 GW jour/t correspond à la combustion de 0,1 % de combustible nucléaire.

Au fur et à mesure que le combustible brûle, la réactivité du réacteur diminue. Le remplacement du combustible brûlé s'effectue immédiatement à partir de l'ensemble du cœur ou progressivement, en laissant en fonctionnement des crayons combustibles d'« âges » différents. Ce mode est appelé ravitaillement continu.

Dans le cas d'un changement complet de combustible, le réacteur présente un excès de réactivité qu'il convient de compenser, alors que dans le second cas, la compensation n'est requise qu'au premier démarrage du réacteur. Une surcharge continue permet d'augmenter la profondeur de combustion, puisque la réactivité du réacteur est déterminée par les concentrations moyennes en isotopes fissiles.

La masse de carburant chargé dépasse la masse de carburant déchargé en raison du « poids » de l’énergie libérée. Après l'arrêt du réacteur, d'abord principalement en raison de la fission par les neutrons retardés, puis, après 1 à 2 minutes, en raison du rayonnement β et γ des fragments de fission et des éléments transuraniens, la libération d'énergie dans le combustible se poursuit. Si le réacteur a fonctionné suffisamment longtemps avant de s'arrêter, alors 2 minutes après l'arrêt, la libération d'énergie est d'environ 3 %, après 1 heure - 1 %, après 24 heures - 0,4 %, après un an - 0,05 %.

Le rapport entre la quantité d'isotopes fissiles de Pu formés dans un réacteur nucléaire et la quantité de 235 U brûlé est appelé coefficient de conversion KK. La valeur KK augmente avec la diminution de l'enrichissement et de la combustion. Pour un réacteur à eau lourde utilisant de l'uranium naturel, à une combustion de 10 GW jour/t, KK = 0,55, et à de petites combustions (dans ce cas, KK est appelé coefficient initial du plutonium) KK = 0,8. Si un réacteur nucléaire brûle et produit les mêmes isotopes (réacteur surgénérateur), alors le rapport entre le taux de reproduction et le taux de combustion est appelé facteur de reproduction KB. Dans les réacteurs nucléaires utilisant des neutrons thermiques KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Contrôle des réacteurs nucléaires

Un réacteur nucléaire ne peut fonctionner longtemps à une puissance donnée que s’il dispose d’une réserve de réactivité au début de son exploitation. Les processus se produisant dans le réacteur provoquent une détérioration des propriétés multiplicatrices du milieu, et sans mécanisme de restauration de la réactivité, le réacteur ne pourrait pas fonctionner même pendant une courte période. La réserve de réactivité initiale est créée en construisant un noyau dont les dimensions dépassent largement les dimensions critiques. Pour éviter que le réacteur ne devienne supercritique, des substances absorbant les neutrons sont introduites dans le cœur. Les absorbeurs font partie du matériau des barres de commande qui se déplacent le long des canaux correspondants dans le noyau. De plus, si seulement quelques crayons suffisent pour la régulation, alors pour compenser l'excès de réactivité initial, le nombre de crayons peut atteindre des centaines. Les barres de compensation sont progressivement retirées du cœur du réacteur, assurant un état critique pendant toute la durée de son fonctionnement. La compensation du burn-up peut également être obtenue en utilisant des absorbeurs spéciaux dont l'efficacité diminue lorsqu'ils captent des neutrons (Cd, B, terres rares) ou des solutions de substances absorbantes dans le modérateur.

Le contrôle d'un réacteur nucléaire est simplifié par le fait que lors de la fission, une partie des neutrons s'échappent des fragments avec un délai pouvant aller de 0,2 à 55 secondes. Grâce à cela, le flux de neutrons et, par conséquent, la puissance changent assez doucement, ce qui laisse le temps de prendre une décision et de changer l'état du réacteur de l'extérieur.

Un système de contrôle et de protection (CPS) est utilisé pour contrôler un réacteur nucléaire. Les organismes du CPS sont répartis en :

Urgence, réduisant la réactivité (introduisant une réactivité négative dans le réacteur) lorsque des signaux d'urgence apparaissent ;

Régulateurs automatiques qui maintiennent un flux de neutrons F constant (c'est-à-dire la puissance de sortie) ;

Compensant, servant à compenser les intoxications, les burn-out, les effets de la température.

Dans la plupart des cas, pour contrôler le réacteur, on utilise des crayons insérés dans le cœur et constitués de matériaux fortement absorbants les neutrons (Cd, B, etc.). Le mouvement des tiges est contrôlé par des mécanismes spéciaux qui fonctionnent sur la base de signaux provenant de dispositifs sensibles à l'ampleur du flux neutronique.

Le fonctionnement des barres de commande est sensiblement simplifié pour les réacteurs à coefficient de réactivité en température négatif (r diminue avec l'augmentation de la température).

Sur la base des informations sur l'état du réacteur, un complexe informatique spécial génère des recommandations à l'opérateur pour modifier l'état du réacteur ou, dans certaines limites, le réacteur est contrôlé sans la participation de l'opérateur.

En cas de développement catastrophique imprévu d'une réaction en chaîne, chaque réacteur est doté d'un arrêt d'urgence de la réaction en chaîne, réalisé en laissant tomber des barres de secours spéciales ou des barres de sécurité dans le cœur - un système de protection d'urgence.