Принцип работы ядерного реактора

В активной зоне реактора на медленных нейтронах находятся топливные элементы, содержащие смесь U и U, и замедлитель, в котором нейтроны замедляются до энергии около 1 эВ.

Содержание

Основная цель ядерного реактора – поддержание контролируемой ядерной реакции, в результате которой вырабатывается электроэнергия.

Это устройство, в недрах которого одно вещество превращается в другое с выделением большого количества тепловой энергии.

Это своего рода “печь”, в которой изотопы урана U-235, U-238 и плутоний (Pu) “сжигаются” вместо традиционного топлива.

В отличие, например, от автомобиля с несколькими видами бензина, каждый вид радиоактивного топлива имеет свой собственный тип реактора. Их два – на медленных нейтронах (с U-235) и быстрых нейтронах (с U-238 и Pu). На большинстве атомных электростанций установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо атомных электростанций, эти устройства используются в исследовательских центрах, на атомных подводных лодках и станциях по опреснению морской воды.

Реакторы с принудительным воздушным охлаждением используются в поездах. Такой реактор заключен в специальную цилиндрическую оболочку; охлаждающий воздух проходит по каналам между активной зоной и обмоткой. Существуют также конструкции реакторов, в которых сердечник и обмотка установлены в баке трансформаторного масла. Для уменьшения вихревых токов, которые снижают индуктивность реактора, сердечник собирается из изолированных листов электротехнической стали.

§70 Реакторы

Реактор это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. На э.п.с. Следующие дроссели широко используются в цепях переменного и постоянного тока и в тепловозах: сглаживающие дроссели для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; переходные дроссели для коммутации выводов трансформатора; разделительные дроссели для равномерного распределения тока нагрузки между параллельными вентилями; токоограничивающие дроссели для ограничения тока короткого замыкания; помехоподавляющие дроссели для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и оборудования; индукционные шунты для распределения тока при переходных процессах между обмотками возбуждения; индукционные шунты для предотвращения интерференции тока между обмотками электрической машины.

Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока. Когда катушка с ферромагнитным сердечником включена в цепь переменного тока (рис. 231, a), ток, протекающий через катушку, определяется потоком, который должен быть создан для индуцированной энергии e_L равна и противоположна по фазе приложенному к ней напряжению. Этот ток называется током намагничивания. Оно зависит от числа витков катушки, магнитного сопротивления катушки (т.е. от сечения, длины и материала магнитопровода), напряжения и его частоты. По мере увеличения напряжения u, приложенного к катушке, поток Ф увеличивается, ее сердечник насыщается, что приводит к резкому увеличению намагничивающего тока. Таким образом, катушка представляет собой нелинейный индуктивный реактив X_Lзначение которого зависит от приложенного к нему напряжения. Вольт-амперная характеристика катушки с ферромагнитным сердечником (рис. 231,б) имеет форму, аналогичную кривой намагничивания. Как показано в главе III, магнитное сопротивление катушки также определяется размером воздушных зазоров, присутствующих в магнитной цепи. Поэтому форма вольт-амперной характеристики катушки зависит от воздушного зазора b в магнитной цепи. Чем больше этот зазор, тем больший ток i протекает через катушку при данном напряжении, и, следовательно, тем меньше индуктивность X_L катушки. С другой стороны, чем больше магнитное сопротивление, создаваемое воздушным зазором, по сравнению с магнитным сопротивлением ферромагнитных частей магнитной цепи, т.е. чем больше зазор b, тем больше вольт-амперметрическая характеристика катушки приближается к линейной.

Установите индуктивное сопротивление X_L катушки с ферромагнитным сердечником можно регулировать не только изменением воздушного зазора 8, но и намагничиванием ее сердечника постоянным током. Чем больше ток намагничивания, тем больше насыщение магнитопровода катушки и тем меньше ее индуктивное сопротивление X_L. Катушка с ферромагнитным сердечником, намагниченная постоянным током, называется реактором насыщения.

Использование дросселей для регулирования и ограничения тока в цепях переменного тока вместо резисторов дает значительную экономию электроэнергии, поскольку в дросселе, в отличие от резистора, потери мощности ничтожны (определяются малым активным сопротивлением проводов дросселя).

Когда катушка с ферромагнитным сердечником включена в цепь переменного тока, ток, протекающий через катушку, не будет синусоидальным. Из-за насыщения сердечника катушки “пики” на кривой тока i тем больше, чем больше насыщение магнитопровода (рис. 231, в).

Сглаживающие реакторы. В локомотивах переменного тока и электропоездах с выпрямителями для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепях тяговых двигателей используются сглаживающие реакторы, выполненные в виде катушки со стальным сердечником. Активное сопротивление катушки очень мало, поэтому она практически не влияет на постоянную составляющую выпрямленного тока. Однако для переменной составляющей тока катушка создает индуктивное сопротивление X_L = ?_L Чем выше частота, тем выше частота гармоник. В результате амплитуды гармонических составляющих выпрямленного тока резко снижаются, а пульсации тока уменьшаются. В системах электроснабжения переменного тока с выпрямителями, работающими на частоте 50 Гц, основная гармоника в выпрямителе имеет частоту соответствующей гармоники.

alt=”Рис. 231. Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока (a), ее вольт-амперная характеристика (b) и кривые тока и напряжения в цепи катушки (e): 1 – при ? = 0; 2 – при некоторых ?1; 3 – при ?2> ?1 ” width=”300″ height=”86″ />.Рис. 231. Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока (a), ее вольт-амперные характеристики (b) и кривые тока и напряжения в цепи катушки (f): 1 – при ? = 0; 2 при ?1; 3 при ?2> ?1

Гармоника, имеющая наибольшую амплитуду, – это гармоника 100 Гц. Для его эффективного подавления необходимо использовать сглаживающий дроссель большой индуктивности и, следовательно, довольно большого размера. Поэтому на практике эти дроссели предназначены для снижения коэффициента пульсации тока до 25-30%.

Индуктивность реактора, а значит и его размеры, зависят от наличия в нем ферромагнитного сердечника. При отсутствии сердечника реактор должен иметь катушку с большим диаметром и большим количеством витков для достижения требуемой индуктивности. Реакторы без сердечника устанавливаются на тяговых подстанциях для сглаживания пульсаций тока от выпрямителей в воздушной линии. Они большие и тяжелые и требуют значительного расхода меди. Установка таких устройств на электрокарты невозможна.

Однако непрактично использовать дроссель с замкнутым стальным сердечником, как трансформатор, поскольку постоянная составляющая тока, протекающая через его катушку, вызовет сильное насыщение сердечника при высоких нагрузках и уменьшит индуктивность дросселя. Поэтому магнитная цепь сглаживающего реактора
Поэтому магнитная цепь сглаживающего реактора должна быть спроектирована таким образом, чтобы она не насыщалась компонентом постоянного тока. Для этого магнитопровод 1 реактора делают открытым (рис. 232, а), так что его магнитный поток частично проходит через воздух, или он может быть закрытым, но с большими воздушными зазорами (рис. 232, б). В целях снижения потребления меди и уменьшения веса
и размеры реактора, его обмотка 2 приспособлена к повышенной плотности тока и интенсивно охлаждается. На электровозах и электрических …

Рис. 232. Магнитная система сглаживающего реактора с разомкнутым (a) и замкнутым (b) магнитным контуром

Магнитная система сглаживающего реактора состоит из магнитных контуров: разомкнутого (a) и замкнутого (b). Такой реактор заключен в специальную цилиндрическую оболочку; охлаждающий воздух проходит по каналам между активной зоной и обмоткой. Существуют также конструкции реакторов, в которых сердечник и обмотка установлены в баке с трансформаторным маслом. Для уменьшения вихревых токов, которые снижают индуктивность реактора, сердечник собирается из изолированных листов электротехнической стали.

Такая же конструкция используется для индуктивных шунтов, которые обеспечивают необходимое распределение тока между обмоткой возбуждения тягового двигателя и шунтирующим резистором во время переходных процессов (при регулировании скорости двигателей путем уменьшения магнитного потока).

Токоограничивающие дроссели. На e.p.c. В системах переменного тока с твердотельными выпрямителями токоограничивающие реакторы иногда подключаются последовательно со схемой выпрямителя. Твердотельные клапаны имеют низкую перегрузочную способность и быстро выходят из строя при высоких токах. Поэтому при их использовании необходимо принимать специальные меры для ограничения тока короткого замыкания и быстрого отключения выпрямительной цепи от источника питания до того, как ток достигнет значения, опасного для затворов. При коротком замыкании нагрузки и отказе клапанов индуктивность дросселя ограничивает ток короткого замыкания (примерно в 4-5 раз выше, чем в отсутствие дросселя) и замедляет скорость его нарастания. В результате ток короткого замыкания не возрастает до опасного значения за время, необходимое для срабатывания защитного устройства. Токоограничивающие дроссели иногда используют дополнительную обмотку, которая действует как вторичная обмотка трансформатора. При возникновении короткого замыкания ток, протекающий через первичную обмотку дросселя, быстро увеличивается, а возросший магнитный поток индуцирует импульс напряжения во вторичной обмотке. Этот импульс служит сигналом для активации защитного устройства, которое отключает выпрямитель.

Литр обычной воды (водопроводной, морской или любой другой) содержит около 0,03 грамма дейтерия. Если весь этот изотоп использовать в термоядерном реакторе, то выделится столько же энергии, сколько выделилось бы при сжигании 300 литров бензина. Это означает, что стакан водопроводной воды эквивалентен полному баку. Дейтерия, содержащегося в Мировом океане, хватило бы для удовлетворения текущих энергетических потребностей человечества на миллиарды лет.

Страна Токамак

Слово “токамак” происходит из русского языка. Это аббревиатура от “тороидальная камера с магнитными катушками”. Этот реактор представляет собой полый тор (образно говоря, бублик), внутри которого производится плазма.

Первый в истории токамак был запущен в СССР в 1954 году. Позже было построено еще несколько таких объектов в нашей стране и десятки по всему миру. Физики всего мира считают этот тип термоядерного реактора наиболее перспективным, хотя не исключены и альтернативные решения. Международный реактор ITER, строительство которого началось в 2020 году, также является токамаком. Проект начался в середине 1980-х годов, а в 1992 году было подписано четырехстороннее (ЕС, Россия, США и Япония) межправительственное соглашение для разработки технического проекта, который был завершен в 2001 году.

Именно ИТЭР должен стать первым термоядерным реактором, который станет энергетически самодостаточным, т.е. будет обеспечивать себя энергией. Планируется, что она будет производить 500 МВт, как и блок атомной электростанции. Но ITER – это не промышленный реактор, это исследовательский реактор. Он будет буквально напичкан оборудованием для измерения всего и вся, поэтому он будет очень дорогим.

После проведения экспериментов в ИТЭР по выбору оптимального режима работы реактора в эксплуатацию вступит первый прототип промышленной установки – DEMO. Однако его ввод в эксплуатацию планируется не ранее 2040 года.

Читайте далее: