Ядрен реактор: Разлика между версии

'''Ядреният реактор''' е [[устройство]], в което се задействат, контролиратуправляват и поддържат ядрени верижни реакции (за разлика от ядрената бомба, където подобни реакции се предизвикват за част от секундата и са изцяло неконтролиранинеуправляеми). '''Ядрените реактори''' се използват за много цели, най-значимата, от които е произвеждането на [[електричество]]. Изследователските реактори се изполватизползват за произвеждане на радиоизотопи и за лъчеви експерименти със свободни [[неутрон]]и.

В момента всички промишлени ядрени реактори са базирани на делене на ядрата. Мненията за безопасността им са противоречиви: смятат се за проблематични, заради рискове, свързани с [[безопасност]]та и [[здраве]]то. Обратното, други смятат произвеждането на [[ток]], чрез ядрени реактори за безопасен и екологично- чист метод, в сравнение с другите разработени досега. [[Термоядрен синтез|Термоядреният синтез]] е технология, базирана на съединяване на леки ядра, вместо на делене. Ядрен синтез се наблюдава при неконтролирана реакция във [[Водородна бомба| Водородната бомба]], а контролирана главно при изследователски реактори тип [[токамак]].

Въпреки че човечеството е „опитомило“ ядрените сили едва наскоро, ядрени реакции са се случвали постоянно от само себе си. 15 природни реактора са били намерени досега в три отделни рудни депозита в мината Окло в [[Габон]], Западна Африка. Открити първо от френския физик [[Франсис Перин]], те са познати като Фосилните„Фосилните реактори в ОклоОкло“. Тези реактори са работили преди 2 милиарда години в продължение на няколкостотин хиляди години със средна мощност за този период около 100 [[ват|kW]].<ref>{{cite journal |last=Meshik |first=A. P. |year=2005 |month=November |title=The Workings of an Ancient Nuclear Reactor |journal=Scientific American |url=http://www.sciam.com/article.cfm?id=ancient-nuclear-reactor }}</ref> <ref name="Gauthier-Lafaye1996">{{cite journal |last=Gauthier-Lafaye |first=F. |coauthors=Holliger, P.; Blanc, P.-L. |year=1996 |title=Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical„critical event"event“ in a geologic system |journal=Geochimica et Cosmochimica Acta |volume=60 |issue=25 |pages=4831 – 4852 |doi=10.1016/S0016-7037(96)00245-1 }}</ref> Също така звездите произвеждат светлинно, топлинно и други излъчвания чрез термоядрен синтез. Концепцията на природните ядрени реактори е била формулирана за пръв път през 1956 година от [[Пол Курода]] от Канзаския университет. [[Енрико Ферми]] и [[Лео Силард]] от чикагския университет са първите, създали ядрен реактор и демонстрирали контролирана ядрена реакция на 2 декември [[1942]]. През [[1955]] споделят патент № 2,708,8562708856 за ядрения реактор.

Първите ядрени реактори са използвани за дапроизводство произвеждатна [[плутоний]] за ядрени оръжия. Други ядрени реактори сасе били използваниизползват във флота за задвижване на подводници и самолетоносачи.

В средата на 50-те години на 20 век както Съветския съюз, така и западните държави разширяват ядрените си изследвания, за да открият мирна употреба на [[атом]]а. Все пак, както военните, така и повечето от мирните изследвания билиса пазени в тайна. На 20 декември [[1951]] г. е произведено за първи път електричество чрез ядрен реактор в ЕБРExperimental Breeder Reactor I (EBR-1I) близо до Арко, Айдахо. На 26 юни [[1954]] г. в 5:30 сутринта, първата в света ядрена електроцентрала е започнала работа в Обниниск[[Обнинск]], област Калуга в [[Съюз на съветските социалистически републики|СССР]]. Мощността ѝ от 5[[Ватват|MW]], е достатъчна да захрани 2000 домакинства. Първата ядрена [[електроцентрала]] с масови функции – КалдерКолдър Хол (''Calder Hall''), билаВеликобритания, е пусната в експлоатация на 17 октомври [[1956]] г. Друг ранен реактор бил реакторът Шипингпорт в Пенсилвания ([[1957]] г.). Още преди [[инцидент на Тримилния остров|инцидента на Тримилния остров]] (Три''Three майлMile айлъндIsland accident'') през [[1979]] г., поръчките за нови реактори в [[Съединени американски щати|САЩ]] билиса прекратени по икономически причини, главно поради удълженото време за построяване. От [[1978]] г. насам не е поръчвано построяването на нови реактори, макар това да може да се промени до [[2010]].

За разлика от инцидента през 1979 г, инцидентът в [[Чернобилска авария|Чернобил]] през [[1986]] г. не увеличава рестрикциите на западните реактори. Това е, защото причината е несигурната конструкция на чернобилските реактори. Този инцидент рефлектира върху политиката на държавите в [[Европа]] относно ядрените реактори. През [[1987]] г. в [[Италия]] се провежда референдум, който довежда до затварянето на 4-те им ядрени централи.

През [[1992]] г. атомна централа в [[САЩ]] бивае ударена директно от урагана Андрю, нанасяйки щети за над 90млн90 млн долара. Ураганът засяга главно воден резервоар и един от комините, но разпространение на радиация няма.

Първата организация, разработила използваем реактор – Американският флот, е единствената организация с чисто от инциденти досие. Това е може би заради стриктните изисквания на адмирал Химан Риковър, който е водеща сила във въвеждането на ядреното задвижване на морски съдове. Американският флот е използвал ядрените реактори повече от всяка друга организация, с изключение на Съветския флот, без да има известни големи инциденти. Американски подводници – УСС[[USS СкорпионScorpion]] и ВършачUSS Thresher са потънали, макар причнитепричините за това да не са в техните ядрени реактори и местоположението им е известно, така че опасността от радиационно замърсяване се счита за ниска.

Атомната енергетика е спорна, защото произвежда [[радиоактивни отпадъци]]. Инцидентите с тях, макар и вероятността да се случат да е минимална, могат да доведат до катастрофални последици, като глобално замърсяване с [[радиация]]. Модерните реактори са проектирани, така, че да използват обеднени ядрени горива и ядрена експлозия е практически невъзможна.

Много държави либерализират енергийния си пазар и така редица рискове, свързани със строежа на АЕЦ, вече се носят от инвеститорите, а не от крайните потребители, както е било до момента при регулиран и (държавно) монополен енергиен пазар. Рискове като оскъпяване на проекта, промяна на цената на горивото, неизпълнение на сроковете за строеж и т.н., както и рискът от появяване на по-конкурентен енергиен източник, досега бяха прехвърляни изцяло върху потребителите. При либерализирания пазар на енергия това вече е невъзможно, което изцяло променя [[:en:Economics of new nuclear power plants|икономическата обосновка на атомната електроцентрала]]. Затова и огромна част от планираните и строящите се АЕЦиАЕЦ в момента се извършва в държави с изцяло регулиран енергиен пазар с държавен енергиен монопол като [[Русия]] и [[Китай]]<ref>http://www.world-nuclear.org/info/inf17.html</ref>. Все пак има и демократични страни, които активно продължават развитието на ядрената си енергетика, напр. [[Франция]] и [[Финландия]].

Този риск много ясно проличава след [[Авария на АЕЦ Фукушима I|аварията въвв АЕЦ"Фукушима I"„Фукушима I“]], която предизвика съществени промени в ядрените програми на редица държави след обширен обществен натиск. <ref>http://en.wikipedia.org/wiki/International_reaction_to_the_Fukushima_Daiichi_nuclear_disaster#Re-evaluation_of_existing_nuclear_energy_programs</ref>

[[Германия]] затвори седем реактора непосредствено след аварията<ref>http://www.independent.co.uk/news/world/europe/germany-closes-seven-of-its-oldest-reactors-2242991.html</ref> и прие план за окончателно спиране на всички реактори до 2022 г.<ref>http://www.bbc.co.uk/news/world-europe-13592208</ref> [[Япония]] прие план за спиране на всички АЕЦиАЕЦ до 2040 г. <ref>http://www.bbc.co.uk/news/world-asia-19645305</ref>, като този план може да бъде променен след изборите на 16.12.2012 г.[[Швейцария]] и [[Испания]], както и [[Италия]] след проведен референдум <ref>http://referendum.interno.it/referendum/refe110612/RFT0003.htm</ref>, забраняват строежа на нови реактори.<ref>http://www.thedailybeast.com/newsweek/2011/11/27/post-fukushima-nuclear-power-changes-latitudes.html</ref> [[Мексико]] се отказва от планираните десет АЕЦаАЕЦ, като ги заменя с газови ТЕЦ. <ref>http://www.bloomberg.com/news/2011-11-02/mexico-scraps-plans-to-build-as-many-as-10-nuclear-plants-focus-on-gas.html</ref>

Допълнителните изисквания за сигурност след аварията във Фукушима също значително оскъпяват новите атомни централи. За да построи нови ядрени реактори, във Великобритания EDF за поискали гарантирана изкупна цена от поне 90 паунда за мегават час/MWh <ref>http://www.bloomberg.com/news/2012-07-12/u-k-seen-doubling-power-price-to-guarantee-new-reactor-energy.html</ref><ref>http://www.reuters.com/article/2012/05/08/nuclear-britain-edf-idAFL5E8G8FQ620120508?sp=true</ref>, което е два пъти повече от текущите цени на тока на борсата.

Превръщането на веществото е съпроводено с отделяне на свободна енергия само тогава, когато това вещество има запас от [[енергия]]. Това означава, че микрочастиците на веществото се намират в състояние на покой, с енергия по-голяма, отколкото в друго възможно състояние, в което е възможно да се извърши преход. Самопроизволният преход винаги е възпрепятстван от енергетичнаенергийна бариера, за чието преодоляване микрочастицата трябва да получи отвън известно количество енергия – енергия на възбуждането. ЕнергетичнатаЕнергийната реакция се състои в това, че в последвалото след възбуждането превръщане се отделя по-голяма енергия, отколкото е нужна за възбуждане на процеса. Съществуват 2 начина за преодоляване на енергетичнатаенергийната бариера: или за сметка на кинетична енергия на сблъскващите се частици, или за сметка на [[енергия на свързване|енергията на свързване]] на присъединяващата се частица.

Ако имаме предвид микроскопични мащаби на отделяне на [[енергия]], то за възбуждане на [[реакция]]та, е необходимо кинетична енергия да имат всички частици на веществото. Това е достижимо само при повишаване на [[температура]]та на околната среда до стойности, при които [[енергия]]та на топлинното движение се приближава до енергетичнияенергийния праг, ограничават течението на процеса. В случай на молекулярни превръщания, т.е. при [[химична реакция|химични реакции]], това повишение е от порядъка на стотици [[келвин]]и, а в случай на [[ядрена реакция|ядрени реакции]] то е минимум 107 келвина, заради много голямата височина на кулоновите бариери на сблъскващите се ядра. Топлинното възбуждане на ядрени реакции на практика се осъществява само при [[ядрен синтез|синтез]] на най-леки ядра, при които кулоновите бариери са минимални (термоядрен синтез). Възбуждането на присъединяващи се частици не изисква голяма кинетична енергия и следователно не зависи от температурата на средата, тъй като се получава за сметка на неизползваните връзки, присъщи на тези частици. И ако имаме предвид не отделна реакция, а получаването на енергия в макроскопични мащаби, то това е възможно само при възникване на [[верижна реакция]]. Тя възниква когато възбуждащите я частици се появяват като продукт на екзоенергетичнаекзоенергийна реакция.

* преносител на топлина (работно тяло)

* система за регулиране на верижната реакция, включваща аварийна защита (Система за управление и защита – СУЗ)

* радиационна (биологична) защита

Основна характеристика на всеки реактор, е неговата изходна мощност. Мощност от 1 MW съответства на верижна реакция, при която за 1 секунда протичат 3х10^¹⁶ деления.

k =k0w=1, където пси е частта от образуващите се в реактора неутрони, които се поглъщат в активната зона на реактора с цел избягване излизането на електрона от обема на реактора, а пък k0 е коефициент на размножаване на неутроните в активната зона на реактора. Приравняването на коефициента на размножаване на единица, се постига чрез балансиране на размножаването на неутроните с техните загуби. Причините за загуби са 2 : неутрони, които не се делят, и неутрони, излезли извън зоната за размножение. Очевидно е, че при k<k0 отсечката в реален обем е по-голяма от отсечката в безкраен обем; за товазатова, ако във веществото с даден състав k0<1, то верижна самоподдържаща се реакция е невъзможна както в безкраен, така и в краен обем.

Обемите на съвременните енергетичниенергийни реактори достигат стотици кубични метри и се определят предимно не от условията за критичност, а от възможността на топлоотвода.

Критичният обем на ядрения реактор е обемът на активната му зона в критично състояние. Критичната маса –е масата на делящото се вещество в реактора, намиращо се в критично състояние. Най-малка критична маса имат реакторите, в които гориво са водните разтвори на соли, на чисти делящи се изотопи, с водно отразяване на неутроните. За [[уран-235]] тази маса е 0,8 kg, а за [[плутоний-239]] – 0,5 kg. Теоретично, най-малка критична маса има [[калифорний]]-251, за когото тя е само 10 гg. С цел намаляване на отечкатаутечката на неутрони, активната зона е конструирана със сферична или близка до сферичната форма като цилиндър или куб, тъй като тези тела имат най-малко отношение на пълна повърхнина към обем. Ролята на бързите неутрони, независимо от формата на активната зона, е достатъчно голяма, което е направило възможно създаването на първите графитовиграфитни реактори с естествен уран. За начало на верижните реакции обикновено са достатъчни неутрони, родени при спонтанно деление при ядрата на урана. Възможно е също използването на външен източник на неутрони за стартиране на реактора, например смеси от Ra, Be, Cf или други вещества.

Бързите неутрони, гама-лъчите и остатъците от делението повреждат структурата на веществото. Например, в твърдо вещество, бързите неутрони избиват атоми от кристалната решетка или ги преместват от местата им. В следствиеВследствие на това се влошават пластичните свойства и топлопроводността на материалите. Сложните молекули под действие на излъчване се разпадат на по-прости молекули или на съставящите ги атоми. Например, водата се разлага на [[водород]] и [[кислород]]; това явление е известно под името радиолиза на водата.

Радиационната неустойчивост на материалите се отразява по-слабо при високи температури. Подвижността на атомите става толкова голяма, че вероятността избитите от кристалната решетка атоми да се върнат на своето място или рекомбинацията на водород и кислород във водородна молекула, значимо се увеличава. Реакторните материали контактуват помежду си. Естествено е, че контактуващите материали трябва да бъдат химическихимично инертни (съвместими).

Като пример за несъвместимост могат да служат уран и гореща вода, които встъпват в химична реакция. При много материали якостните свойства рязко се влошават с увеличаване на температурата. В енергетичнитеенергийните реактори конструкционните материали работят при високи температури. Това ограничава избора на тези материали, особено за тези детайли на реактора, които трябва да издържат и високо налягане.

* експериментални, предназначени за изучаване на физични величини, чието значение е необходимо за проектиране и експлоатация на ядрени реактори; Мощносттамощността им не превишава няколко KWкиловата.

* [[изследователски реактори|изследователски]], в които потоците неутрони и гама-кванти, създавани в активната зона, се използват за изследвания в областта на ядрената физика, физиката на твърдото тяло, радиационната химия, биологията, за изследвания на материали, предназначени за работа в интензивни неутронни потоци, за производство на изотопи. Мощността им не превишава 100MW100 MW.

* изотопни (оръжейни, промишлени) реактори се използват за изработка на изотопи, използвани в ядрените оръжия, например Pu239Pu 239.

* енергетичниенергийни реактори – предназначени за получаване на електрическа и топлинна енергия, използват се в енергетиката за превръщане на морската вода в сладка, за силови установки на кораби и т.н. Мощността на съвременните реактори достига 3,5GW5 GW.

По спектъра на неутроните реакторите се делят на :

*Според горивото си реакторите работят с:

ХимическиятХимичният състав на горивото може да бъде метален уран, уранов диоксид и уранов карбид.

*[[КАНДУCANDU]] – канадски реактори

*[[МагноксMagnox]] – британски реактор