|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Elektrownia atomowa. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Elektrownia jądrowa (EJ) – obiekt jądrowy służący do wytwarzania energii w określonych trybach i warunkach użytkowania, zlokalizowany na obszarze określonym projektem, w którym znajduje się reaktor jądrowy (reaktory) oraz zespół niezbędnych systemów, urządzeń, wyposażenia i struktury z niezbędnymi pracownikami są wykorzystywane do tego celu (personel). Pierwsza na świecie elektrownia jądrowa została zbudowana w ZSRR dziewięć lat po zrzuceniu bomby atomowej na Hiroszimę. To najważniejsze wydarzenie w historii techniki poprzedzone było gorączkowymi i intensywnymi pracami nad stworzeniem własnej broni jądrowej. Badaniami naukowymi kierował wybitny naukowiec i utalentowany organizator Igor Kurczatow.
W 1943 Kurczatow stworzył własne centrum badawcze w Moskwie (wówczas nosiło ono nazwę Laboratorium nr 2, a później zostało przekształcone w Instytut Energii Atomowej). W tym i kilku innych laboratoriach wszystkie badania amerykańskich naukowców zostały powtórzone w możliwie najkrótszym czasie, uzyskano czysty uran i czysty grafit. W grudniu 1946 r. przeprowadzono tu pierwszą reakcję łańcuchową w eksperymentalnym reaktorze jądrowym uranowo-grafitowym F1. Moc tego reaktora ledwo osiągnęła 100 watów. Udało mu się jednak uzyskać ważne dane, które posłużyły jako podstawa do zaprojektowania dużego reaktora przemysłowego, którego rozwój już trwał pełną parą. W ZSRR nie było doświadczenia w budowie takiego reaktora. Po namyśle Kurczatow postanowił powierzyć tę pracę NIIkhimaszowi, kierowanemu przez Nikołaja Dollezhala. Chociaż Dollezhal był czystym chemikiem-mechanikiem i nigdy nie studiował fizyki jądrowej, jego wiedza okazała się bardzo cenna. Jednak NIIkhimmash nie byłby w stanie samodzielnie stworzyć reaktora. Praca zakończyła się sukcesem dopiero po przystąpieniu do niej kilku innych instytutów. Zasada działania i konstrukcja reaktora Dollezhala były ogólnie jasne: bloki grafitowe z kanałami na bloki uranu i pręty kontrolne - pochłaniacze neutronów umieszczono w metalowej obudowie. Całkowita masa uranu musiała osiągnąć wymaganą wartość obliczoną przez fizyków, przy której rozpoczęła się ciągła reakcja łańcuchowa rozszczepienia atomów uranu. W wyniku reakcji rozszczepienia jąder uranu pojawiły się nie tylko dwa fragmenty (dwa nowe jądra), ale także kilka neutronów. Te neutrony pierwszej generacji służyły do wspomagania reakcji, w wyniku której powstały neutrony drugiej generacji, trzeciej i tak dalej. Średnio na każdy tysiąc neutronów, które się pojawiły, tylko kilka rodziło się nie od razu, w momencie rozszczepienia, ale nieco później wyleciało z fragmentów. Istnienie tych tzw. opóźnionych neutronów, które są drobnym szczegółem w procesie rozszczepiania uranu, decyduje o możliwości kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Niektóre z nich są opóźnione o ułamek sekundy, inne o sekundy lub więcej. Liczba opóźnionych neutronów wynosi zaledwie 0% ich całkowitej liczby, jednak znacznie (około 75 razy) spowalniają tempo wzrostu strumienia neutronów, a tym samym ułatwiają zadanie regulacji mocy reaktora. To właśnie w tym czasie, manipulując prętami pochłaniającymi neutrony, można interweniować w przebieg reakcji, spowalniać ją lub przyspieszać. Większość neutronów rodzi się jednocześnie z rozszczepieniem, aw ich krótkim czasie życia (około stu tysięcznych sekundy) nie można w żaden sposób wpłynąć na przebieg reakcji, tak jak nie można zatrzymać wybuchu atomowego, który już się dokonał. zaczął. Na podstawie tych informacji zespół Dollezhal był w stanie szybko poradzić sobie z zadaniem. Już w 1948 r. zbudowano fabrykę plutonu z kilkoma reaktorami przemysłowymi, a w sierpniu 1949 r. Przetestowano pierwszą radziecką bombę atomową. Po tym Kurczatow mógł zwrócić większą uwagę na pokojowe wykorzystanie energii atomowej. Na jego polecenie Feinberg i Dollezhal zaczęli opracowywać projekt reaktora dla elektrowni jądrowej. Pierwszy wykonał obliczenia fizyczne, a drugi - inżynieryjny. To, że reaktor jądrowy może być nie tylko producentem plutonu przeznaczonego do broni, ale także potężną elektrownią, stało się jasne dla jego pierwszych twórców. Jednym z zewnętrznych przejawów trwającej reakcji jądrowej, wraz z promieniowaniem radioaktywnym, jest znaczne wydzielanie ciepła. W bombie atomowej ciepło to jest uwalniane natychmiast i służy jako jeden z jej szkodliwych czynników. W reaktorze, w którym reakcja łańcuchowa jest jakby w stanie tlącym się, intensywne wydzielanie ciepła może trwać miesiącami, a nawet latami, a kilka kilogramów uranu może uwolnić tyle energii, ile uwalnia się podczas spalania kilku tysięcy ton konwencjonalnego paliwa. Ponieważ radzieccy fizycy nauczyli się już kontrolować reakcję jądrową, problem stworzenia reaktora energetycznego sprowadzał się do znalezienia sposobów na usunięcie z niego ciepła. Doświadczenie zdobyte podczas eksperymentów przez Kurchatowa było bardzo cenne, ale nie dało odpowiedzi na wiele pytań. Żaden z zbudowanych do tego czasu reaktorów nie był reaktorem energetycznym. W reaktorach przemysłowych energia cieplna była nie tylko niepotrzebna, ale i szkodliwa – trzeba ją było usunąć, czyli schłodzić bloki uranowe. Problem gromadzenia i wykorzystywania ciepła uwalnianego podczas reakcji jądrowej nie był dotychczas rozważany ani w ZSRR, ani w USA. Najważniejsze pytania dotyczące sposobu projektowania reaktora energetycznego dla elektrowni jądrowych brzmiały: jaki typ reaktora (na neutronach szybkich czy wolnych) byłby najbardziej odpowiedni, jaki powinien być moderator neutronów (grafit czy ciężka woda), co może służyć jako chłodziwo (woda, gaz lub ciekły metal) jaka powinna być jego temperatura i ciśnienie. Ponadto pojawiło się wiele innych pytań, takich jak materiały, bezpieczeństwo personelu i zwiększenie wydajności. W końcu Feinberg i Dollezhal zdecydowali się na to, co już zostało przetestowane: zaczęli opracowywać powolny reaktor neutronowy z moderatorem grafitowym i chłodziwem wodnym. W ich stosowaniu zgromadzono już dobre praktyczne i teoretyczne doświadczenie. To z góry przesądziło o sukcesie ich projektu. W 1950 r. rada techniczna Ministerstwa Budowy Średnich Maszyn wybrała reaktor opracowany przez NIIkhimmash z kilku proponowanych opcji. Zaprojektowanie całej elektrowni (postanowiono ją wybudować w Obnińsku) powierzono jednemu z leningradzkich instytutów badawczych, na czele którego stanął Gutow. Planowana moc pierwszej elektrowni jądrowej, 5000 kW, została w dużej mierze wybrana przypadkowo. Właśnie wtedy MAES wycofał z eksploatacji w pełni sprawny turbogenerator o mocy 5000 kW i przetransportował go do Obnińska, który był w budowie. W jego ramach postanowili zaprojektować całą elektrownię jądrową.
Reaktor energetyczny był nie tyle obiektem przemysłowym, ile obiektem naukowym. Budowę elektrowni jądrowej nadzorowało bezpośrednio Obnińskie Laboratorium Fizyczno-Energetyczne, założone w 1947 roku. W początkowych latach nie było ani wystarczających sił naukowych, ani niezbędnego sprzętu. Warunki życia również były dalekie od akceptowalnych. Miasto dopiero powstawało. Nieutwardzone ulice wiosną i jesienią pokrywało nieprzejezdne błoto, w którym beznadziejnie ugrzęzły samochody. Większość mieszkańców skuliła się w drewnianych barakach i niewygodnych „fińskich” domach. Laboratorium mieściło się w budynkach zupełnie przypadkowych i nienadających się do celów naukowych (jeden to dawna kolonia dziecięca, drugi to rezydencja Morozowów). Energia elektryczna była wytwarzana przez starą turbinę parową o mocy 500 kW. Kiedy się zatrzymała, cała wioska i plac budowy pogrążyły się w ciemności. Najbardziej złożone obliczenia zostały wykonane ręcznie. Jednak naukowcy (z których wielu dopiero niedawno wróciło z frontu) przetrwali trudy. Pomysł, że projektowali i budowali pierwszą na świecie elektrownię jądrową, rozbudził umysły i wzbudził wielki entuzjazm. Jeśli chodzi o problemy czysto naukowe, również były one bardzo trudne. Zasadnicza różnica między reaktorem energetycznym a przemysłowym polegała na tym, że w drugim typie reaktora woda służyła jedynie jako chłodziwo i nie pełniła żadnych innych funkcji. Ponadto nadmiar ciepła usuwany przez wodę był taki, że jej temperatura nie do końca osiągnęła punkt wrzenia. Tutaj woda miała pełnić rolę nośnika energii, czyli służyć do tworzenia pary zdolnej do wykonywania użytecznej pracy. Trzeba było więc maksymalnie podnieść temperaturę i ciśnienie. Do sprawnej pracy turbogeneratora wymagane było co najmniej uzyskanie pary o temperaturze ponad 200 stopni i ciśnieniu 12 atm (co notabene było na tamte czasy bardzo małe, ale postanowiliśmy ograniczyć się do te parametry na razie).
Podczas budowy za podstawę przyjęto projekt reaktora przemysłowego. Tylko zamiast prętów uranowych dostarczono uranowe elementy odprowadzające ciepło - elementy paliwowe. Różnica między nimi polegała na tym, że woda opływała pręt z zewnątrz, podczas gdy pręt paliwowy był dwuścienną rurą. Wzbogacony uran znajdował się między ścianami, a wewnętrznym kanałem płynęła woda. Obliczenia wykazały, że przy takiej konstrukcji znacznie łatwiej jest ją podgrzać do pożądanej temperatury. Według szkiców rysunkowych wyłaniał się następujący wygląd reaktora. W środkowej części cylindrycznego korpusu o średnicy ponad 1,5 m znajduje się strefa aktywna - grafitowy mur o wysokości ok. 170 cm, przez który przenikają kanały. Niektóre z nich były przeznaczone do elementów paliwowych, inne do prętów pochłaniających neutrony i automatycznie utrzymujących równowagę na danym poziomie. Zimna woda (która właściwie wcale nie jest zimna - jej temperatura wynosi około 190 stopni) powinna spłynąć do dolnej części zespołu pręta paliwowego. Po przejściu przez elementy odprowadzające ciepło i nagrzaniu się o 80 stopni wpadał do górnej części zespołu, a stamtąd do kolektora ciepłej wody. Aby nie zagotować się i nie zamienić w parę (mogłoby to spowodować nieprawidłową pracę reaktora), musiał znajdować się pod ciśnieniem 100 atm. Z kolektora gorąca radioaktywna woda spływała rurami do wymiennika ciepła-generatora pary, po czym po przejściu przez okrągłą pompę wracała do kolektora zimnej wody. Ten prąd nazwano pierwszym obwodem. Płyn chłodzący (woda) krążył w nim w błędnym kole, bez przenikania na zewnątrz. W drugim obwodzie woda działała jako płyn roboczy. Tutaj była nieradioaktywna i bezpieczna dla innych. Po podgrzaniu do 190 stopni w wymienniku ciepła i zamienieniu w parę o ciśnieniu 12 atm, został dostarczony do turbiny, gdzie wykonał swoją użyteczną pracę. Para opuszczająca turbinę miała być skondensowana i odesłana z powrotem do wytwornicy pary. Sprawność całej elektrowni wyniosła 17%. Ten pozornie łatwy do opisania schemat był w rzeczywistości bardzo skomplikowany technicznie. Teoria reaktora wtedy nie istniała - narodziła się wraz z nią. Szczególnie skomplikowanym elementem były pręty paliwowe, których konstrukcja w dużej mierze zależała od sprawności całej instalacji. Procesy, które w nich zachodziły, były bardzo złożone pod każdym względem: trzeba było zdecydować, jak i jak ładować do nich uran, w jakim stopniu należy go wzbogacać, jak osiągnąć cyrkulację wody pod wysokim ciśnieniem i w jaki sposób aby zapewnić wymianę ciepła. Z kilku opcji wybrano elementy paliwowe opracowane przez Władimira Małycha - z proszkiem uranowo-molibdenowym (uran został wzbogacony do 5%), prasowanym drobnoziarnistym magnezem - metal ten miał zapewnić skuteczny kontakt termiczny stopu uranowo-molibdenowego z ściana elementu paliwowego.
Problemem było nie tylko wypełnienie elementu paliwowego, ale także jego okładzina. Materiał elementów odprowadzających ciepło musiał być wytrzymały, odporny na korozję i nie powinien zmieniać swoich właściwości pod wpływem długotrwałego narażenia na promieniowanie. Najlepszy materiał z chemicznego punktu widzenia - stal nierdzewna - nie podobał się fizykom, ponieważ silnie pochłaniał neutrony. Ostatecznie Dollezhal zdecydował się jednak na stal. Aby zrekompensować jego właściwości absorpcyjne, zdecydowano się na zwiększenie udziału procentowego wzbogaconego uranu (dużo później opracowano specjalny stop cyrkonu do prętów paliwowych, który spełniał wszystkie niezbędne warunki).
Produkcja prętów paliwowych i spawanie stali nierdzewnej okazały się niezwykle trudne. Każdy element paliwowy miał kilka szwów, a takich elementów paliwowych było 128. Tymczasem wymagania dotyczące szczelności szwów były najwyższe – ich pęknięcie i dostanie się gorącej wody pod wysokim ciśnieniem do rdzenia reaktora groziło katastrofą. Jeden z wielu instytutów, które pracowały nad tym zagadnieniem, otrzymał zadanie opracowania technologii spawania stali nierdzewnej. W końcu praca została pomyślnie zakończona. Reaktor został uruchomiony w maju 1954 roku, a w czerwcu tego samego roku elektrownia jądrowa oddała pierwszy prąd. W pierwszej elektrowni jądrowej dokładnie przemyślano system sterowania procesami zachodzącymi w reaktorze. Stworzono urządzenia do automatycznego i ręcznego zdalnego sterowania drążkami sterującymi, awaryjnego wyłączania reaktora oraz urządzenia do wymiany drążków paliwowych. Wiadomo, że reakcja jądrowa rozpoczyna się dopiero po osiągnięciu pewnej masy krytycznej materiału rozszczepialnego. Jednak podczas pracy reaktora wypala się paliwo jądrowe. Dlatego konieczne jest obliczenie znacznej ilości paliwa, aby zapewnić pracę reaktora przez mniej lub bardziej znaczący czas. Wpływ tej rezerwy nadkrytycznej na przebieg reakcji był kompensowany przez specjalne pręty pochłaniające nadmiar neutronów. Jeśli konieczne było zwiększenie mocy reaktora (w miarę wypalania się paliwa), pręty sterujące były nieco wysuwane z rdzenia reaktora i instalowane w pozycji, w której reaktor znajdował się na granicy reakcji łańcuchowej i aktywnego rozszczepienia uranu się jądra. Wreszcie dostarczono pręty ochronne, których opuszczenie do rdzenia natychmiast wygaszało reakcję jądrową. Autor: Ryzhov K.V.
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Pierwsze 32-bitowe kontrolery ZigBee ▪ Na biegunach księżyca są osady lodu ▪ Nowe hełmy Gwardii Szwajcarskiej są drukowane na drukarkach 3D
▪ sekcja witryny Notatki z wykładów, ściągawki. Wybór artykułu ▪ artykuł I na próżno Wolterczycy wypowiadają się przeciwko niemu. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jaka jest prędkość myśli? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Praca na komputerze osobistym. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony