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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Reator nuclear em nêutrons rápidos. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor A primeira usina nuclear do mundo (NPP), construída na cidade de Obninsk, perto de Moscou, deu corrente em junho de 1954. Sua potência era muito modesta - 5 MW. No entanto, desempenhou o papel de uma instalação experimental, onde foi acumulada experiência na operação de futuras grandes usinas nucleares. Pela primeira vez, foi comprovada a possibilidade de geração de energia elétrica a partir da fissão de núcleos de urânio, e não pela queima de combustíveis fósseis e não por energia hidráulica.
As usinas nucleares usam núcleos de elementos pesados - urânio e plutônio. Durante a fissão nuclear, a energia é liberada - ela "funciona" em usinas nucleares. Mas você pode usar apenas núcleos que tenham uma certa massa - os núcleos de isótopos. Os núcleos atômicos dos isótopos contêm o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons, razão pela qual os núcleos de diferentes isótopos do mesmo elemento têm massas diferentes. O urânio, por exemplo, tem 15 isótopos, mas apenas o urânio-235 está envolvido nas reações nucleares. A reação de fissão prossegue como se segue. O núcleo de urânio se desintegra espontaneamente em vários fragmentos; entre eles há partículas de alta energia - nêutrons. Em média, há 10 nêutrons para cada 25 decaimentos. Eles atingem os núcleos dos átomos vizinhos e os quebram, liberando nêutrons e uma enorme quantidade de calor. A fissão de um grama de urânio libera tanto calor quanto a combustão de três toneladas de carvão. O espaço no reator onde o combustível nuclear está localizado é chamado de núcleo. Aqui os núcleos atômicos de urânio são fissionados e a energia térmica é liberada. Para proteger o pessoal de operação da radiação nociva que acompanha a reação em cadeia, as paredes do reator são suficientemente espessas. A velocidade de uma reação nuclear em cadeia é controlada por hastes de controle feitas de uma substância que absorve nêutrons (na maioria das vezes é boro ou cádmio). Quanto mais fundo as hastes são abaixadas no núcleo, mais nêutrons eles absorvem, menos nêutrons estão envolvidos na reação e menos calor é liberado. Por outro lado, quando as hastes de controle são levantadas do núcleo, o número de nêutrons envolvidos na reação aumenta, aumentando o número de átomos de urânio em fissão, liberando a energia térmica escondida neles. Caso o núcleo superaqueça, é fornecido um desligamento de emergência do reator nuclear. As hastes de emergência caem rapidamente no núcleo, absorvem intensamente nêutrons, a reação em cadeia diminui ou para. O calor é removido de um reator nuclear usando um refrigerante líquido ou gasoso, que é bombeado através do núcleo por bombas. O transportador de calor pode ser água, sódio metálico ou substâncias gasosas. Ele retira o calor do combustível nuclear e o transfere para o trocador de calor. Este sistema fechado com um refrigerante é chamado de circuito primário. No trocador de calor, o calor do circuito primário aquece a água do circuito secundário até a ebulição. O vapor resultante é enviado para uma turbina ou utilizado para aquecimento de edifícios industriais e residenciais.
Antes da catástrofe na usina nuclear de Chernobyl, os cientistas soviéticos disseram com confiança que nos próximos anos dois tipos principais de reatores seriam amplamente utilizados na indústria de energia nuclear. Um deles, VVER, é um reator de potência refrigerado a água, e o outro, RBMK, é um reator de alta potência, canal. Ambos os tipos estão relacionados a reatores de nêutrons lentos (térmicos). Em um reator de água pressurizada, a zona ativa é encerrada em uma enorme caixa cilíndrica de aço com 4 metros de diâmetro e 15 metros de altura, com paredes grossas e uma tampa maciça. Dentro da caixa, a pressão chega a 160 atmosferas. O transportador de calor que remove o calor na zona de reação é a água, que é bombeada por bombas. A mesma água também serve como moderador de nêutrons. No gerador de vapor, aquece e transforma a água secundária em vapor. O vapor entra na turbina e a gira. Tanto o primeiro como o segundo circuito estão fechados. Uma vez a cada seis meses, o combustível nuclear queimado é substituído por um novo, para o qual o reator deve ser parado e resfriado. Na Rússia, Novovoronezh, Kola e outras usinas nucleares operam de acordo com esse esquema. No RBMK, o grafite serve como moderador e a água é o refrigerante. O vapor para a turbina é produzido diretamente no reator e retornado para lá após ser utilizado na turbina. O combustível no reator pode ser substituído gradualmente, sem parar ou amortecer. A primeira usina nuclear de Obninsk do mundo pertence a esse tipo. As estações de alta potência de Leningrado, Chernobyl, Kursk e Smolensk foram construídas de acordo com o mesmo esquema. Um dos sérios problemas das usinas nucleares é o descarte de resíduos nucleares. Na França, por exemplo, isso é feito por uma grande empresa, a Cogema. Combustíveis contendo urânio e plutônio, com muito cuidado, em contêineres especiais de transporte - lacrados e resfriados - são encaminhados para processamento, e os resíduos - para vitrificação e sepultamento. "Nos mostramos os estágios individuais de processamento de combustível trazido de usinas nucleares com o maior cuidado", escreve I. Lagovsky na revista Science and Life. "Descarregadores, uma câmara de descarga. Você pode olhar pela janela. A espessura do vidro na janela é de 1 metro e 20 centímetros "Um manipulador na janela. Limpeza inimaginável ao redor. Macacão branco. Luz suave, palmeiras e rosas artificiais. Uma estufa com plantas reais para relaxar após o trabalho na zona. Armários com controle da AIEA - a agência internacional de energia atômica. A sala do operador - dois semicírculos com displays ", - daqui controlam a descarga, o corte, a dissolução, a vitrificação. Todas as operações, todos os movimentos do contêiner são refletidos sequencialmente nos displays do Os próprios salões de trabalho com materiais de alta atividade estão bem distantes, do outro lado da rua. Os resíduos vitrificados são pequenos em volume. Eles são fechados em contêineres de aço e armazenados em poços ventilados até serem levados ao local do enterro final ... Os próprios contêineres são uma obra de arte de engenharia, cujo objetivo era construir algo que não pode ser destruído. Plataformas ferroviárias carregadas de contêineres foram descarriladas, abalroadas a toda velocidade por trens que se aproximavam, outros acidentes concebíveis e inimagináveis durante o transporte foram organizados - os contêineres resistiram a tudo. Após o desastre de Chernobyl em 1986, os cientistas começaram a duvidar da segurança das usinas nucleares e, em particular, dos reatores do tipo RBMK. O tipo VVER é mais próspero nesse aspecto: no acidente na estação americana Three Mile Island em 1979, onde o núcleo do reator derreteu parcialmente, a radioatividade não ultrapassou a embarcação. A longa operação sem problemas das usinas nucleares japonesas fala a favor do VVER. E, no entanto, há mais uma direção, que, segundo os cientistas, é capaz de fornecer calor e luz à humanidade para o próximo milênio. Isso se refere a reatores de nêutrons rápidos, ou reatores reprodutores. Eles usam urânio-238, mas não como energia, mas como combustível. Este isótopo absorve bem os nêutrons rápidos e se transforma em outro elemento - plutônio-239. Os reatores de nêutrons rápidos são muito compactos: não precisam de moderadores ou absorvedores - seu papel é desempenhado pelo urânio-238. Eles são chamados de reatores reprodutores, ou reprodutores (da palavra inglesa "raça" - multiplicar). A reprodução do combustível nuclear possibilita o uso dez vezes mais completo do urânio, por isso os reatores de nêutrons rápidos são considerados uma das áreas promissoras da energia nuclear. Em reatores desse tipo, além do calor, também é produzido combustível nuclear secundário, que pode ser utilizado no futuro. Aqui, nem no primeiro nem no segundo circuito há alta pressão. O refrigerante é sódio líquido. Ele circula no circuito primário, aquece-se e transfere calor para o sódio no segundo circuito, que, por sua vez, aquece a água do circuito vapor-água, transformando-a em vapor. Os trocadores de calor são isolados do reator. Uma dessas estações promissoras - recebeu o nome de Monju - foi construída na região de Shiraki, na costa do Mar do Japão, em uma área de resorts quatrocentos quilômetros a oeste da capital. "Para o Japão", diz K. Takenouchi, chefe do departamento da Corporação Nuclear de Kansai, "o uso de reatores reprodutores significa a capacidade de reduzir a dependência de urânio natural importado através do uso repetido de plutônio. Portanto, nosso desejo de desenvolver e melhorar " reatores rápidos” e atingir um nível técnico é compreensível, capaz de competir com as modernas usinas nucleares em termos de eficiência e segurança. O desenvolvimento de reatores reprodutores deve ser o principal programa de geração de energia no futuro próximo." A construção do reator de Monju já é a segunda etapa do desenvolvimento de reatores de nêutrons rápidos no Japão. O primeiro foi o projeto e construção do reator experimental Joyo (japonês para "luz eterna") de 50-100 MW, que começou a operar em 1978. Investigou o comportamento do combustível, novos materiais estruturais, componentes. O projeto Monju começou em 1968. Em outubro de 1985, eles começaram a construir uma estação - para cavar um poço de fundação. Durante o desenvolvimento do local, 2 milhões e 300 mil metros cúbicos de rocha foram despejados no mar. A potência térmica do reator é de 714 MW. O combustível é uma mistura de óxidos de plutônio e urânio. Na zona ativa existem 19 hastes de controle, 198 blocos de combustível, cada um com 169 hastes de combustível (elementos combustíveis - TVELs) com diâmetro de 6,5 milímetros. Eles são cercados por unidades radiais de produção de combustível (172 unidades) e unidades de escudo de nêutrons (316 unidades). Todo o reator é montado como uma boneca aninhada, só que não é mais possível desmontá-lo. O enorme vaso do reator, feito de aço inoxidável (diâmetro - 7,1 metros, altura - 17,8 metros), é colocado em uma caixa protetora em caso de derramamento de sódio durante um acidente. "As estruturas de aço da câmara do reator", relata A. Lagovsky na revista Science and Life, "as conchas e blocos de parede são preenchidos com concreto como proteção. Os sistemas primários de resfriamento de sódio, juntamente com o recipiente do reator, são cercados por um casca de emergência com nervuras de reforço - seu diâmetro interno é de 49,5, 79,4 metros de altura e 13,5 metros de altura. O fundo elipsoidal deste volume repousa sobre uma almofada de concreto sólido de 1 metros de altura. e, em seguida, segue uma espessa camada (1,8-0,5 metros) de concreto armado. A cúpula da casca também é protegida por uma camada de concreto armado de XNUMX metros de espessura. Seguindo o escudo anti-emergência, outro edifício de proteção é disposto - um auxiliar - de 100 por 115 metros de tamanho, que atende aos requisitos de construção anti-sísmica. Por que não um sarcófago? Sistemas secundários de resfriamento de sódio, sistemas de vapor-água, dispositivos de carregamento e descarregamento de combustível e um tanque de armazenamento de combustível irradiado estão localizados no vaso do reator auxiliar. Em salas separadas, há um turbogerador e geradores a diesel de reserva. A resistência do invólucro de emergência é projetada tanto para uma sobrepressão de 0,5 atmosferas quanto para um vácuo de 0,05 atmosferas. Um vácuo pode se formar quando o oxigênio queima no espaço anular se o sódio líquido derramar. Todas as superfícies de concreto que podem entrar em contato com o derramamento de sódio são completamente revestidas com chapas de aço com espessura suficiente para suportar tensões térmicas. É assim que eles se protegem caso isso não aconteça, pois deve haver garantia tanto para os dutos quanto para todas as outras partes de uma instalação nuclear. Autor: Musskiy S.A.
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