Dijagram procesa u nuklearnom reaktoru. Kako radi nuklearni reaktor?

: ... prilično banalno, ali ipak još uvijek nisam pronašao informaciju u probavljivom obliku - kako nuklearni reaktor POČINJE s radom. Sve o principu i strukturi rada je već prožvakano preko 300 puta i jasno je, ali evo kako se dobiva gorivo i od čega i zašto nije toliko opasno dok nije u reaktoru i zašto ne reagira prije nego što bude uronjen u reaktor! - uostalom, zagrijava se samo iznutra, međutim, prije utovara gorivo je hladno i sve je u redu, tako da što uzrokuje zagrijavanje elemenata nije sasvim jasno, kako na njih utječe i tako dalje, po mogućnosti ne znanstveno).

Teško je, naravno, takvu temu oblikovati na neznanstveni način, ali pokušat ću. Prvo shvatimo što su te gorive šipke.

Nuklearno gorivo su crne tablete promjera oko 1 cm i visine oko 1,5 cm. Sadrže 2% uran-dioksida 235 i 98% urana 238, 236, 239. U svim slučajevima, s bilo kojom količinom nuklearnog goriva, nuklearna eksplozija se ne može razviti, jer je za brzu fisijsku reakciju poput lavine karakterističnu za nuklearnu eksploziju potrebna koncentracija urana 235 veća od 60%.

Dvije stotine kuglica nuklearnog goriva utovareno je u cijev izrađenu od metalnog cirkonija. Duljina ove cijevi je 3,5 m. promjera 1,35 cm.Ova cijev se naziva gorivi element - gorivi element. 36 gorivih šipki sastavljeno je u kasetu (drugi naziv je "sklop").

Dizajn gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - čep; 2 - tablete uranovog dioksida; 3 - cirkonijeva ljuska; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.

Pretvorbu tvari prati oslobađanje slobodne energije samo ako tvar ima rezervu energije. Potonje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju u koje prijelaz postoji. Spontani prijelaz uvijek je spriječen energetskom barijerom, za čije prevladavanje mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana - energiju pobude. Egzoenergetska reakcija sastoji se u činjenici da se u transformaciji nakon pobuđivanja oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina prevladavanja energetske barijere: ili zahvaljujući kinetičkoj energiji čestica koje se sudaraju, ili zahvaljujući energiji vezivanja čestice koja se spaja.

Ako imamo na umu makroskopsku ljestvicu oslobađanja energije, tada sve ili u početku barem neki dio čestica tvari moraju imati kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija. To je moguće postići samo povećanjem temperature medija do vrijednosti pri kojoj se energija toplinskog gibanja približava energetskom pragu koji ograničava tijek procesa. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno kemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine stupnjeva Kelvina, ali u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 107 K zbog vrlo visoke visine Coulombovih barijera sudarajućih jezgri. Toplinska ekscitacija nuklearnih reakcija provodi se u praksi samo tijekom sinteze najlakših jezgri, kod kojih su Coulombove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuda spajanjem čestica ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, budući da nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih privlačnim silama čestica. Ali za pobuđivanje reakcija potrebne su same čestice. A ako opet ne mislimo na zaseban čin reakcije, već na proizvodnju energije na makroskopskoj razini, onda je to moguće samo kada se dogodi lančana reakcija. Potonje se događa kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovno pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.

Za upravljanje i zaštitu nuklearnog reaktora koriste se kontrolne šipke koje se mogu pomicati po cijeloj visini jezgre. Šipke su napravljene od tvari koje snažno apsorbiraju neutrone - na primjer, bor ili kadmij. Kada su šipke duboko umetnute, lančana reakcija postaje nemoguća, jer se neutroni snažno apsorbiraju i uklanjaju iz reakcijske zone.

Šipke se pomiču daljinski s upravljačke ploče. S laganim pomicanjem šipki, proces lanca će se ili razviti ili izblijedjeti. Na taj način se regulira snaga reaktora.

Lenjingradska nuklearna elektrana, reaktor RBMK

Početak rada reaktora:

U početnom trenutku nakon prvog punjenja goriva u reaktoru nema fisijske lančane reakcije, reaktor je u subkritičnom stanju. Temperatura rashladnog sredstva znatno je niža od radne temperature.

Kao što smo već spomenuli ovdje, da bi započela lančana reakcija, fisibilni materijal mora formirati kritičnu masu - dovoljnu količinu tvari koja spontano fisira u dovoljno malom prostoru, uvjet pod kojim broj neutrona oslobođenih tijekom nuklearne fisije mora biti više broja apsorbirani neutroni. To se može učiniti povećanjem sadržaja urana-235 (količina ubačenih gorivih šipki) ili usporavanjem brzine neutrona tako da ne lete pokraj jezgri urana-235.

Reaktor se pokreće u nekoliko stupnjeva. Pomoću regulatora reaktivnosti reaktor se prebacuje u superkritično stanje Kef>1 i snaga reaktora se povećava na razinu od 1-2% nazivne. U ovoj fazi reaktor se zagrijava do radnih parametara rashladnog sredstva, a brzina zagrijavanja je ograničena. Tijekom procesa grijanja, kontrole održavaju snagu na konstantnoj razini. Zatim se pokreću cirkulacijske crpke i pušta se u rad sustav za uklanjanje topline. Nakon toga se snaga reaktora može povećati na bilo koju razinu u rasponu od 2 do 100% nazivne snage.

Kada se reaktor zagrije, reaktivnost se mijenja zbog promjena u temperaturi i gustoći materijala jezgre. Ponekad se tijekom zagrijavanja mijenja relativni položaj jezgre i upravljačkih elemenata koji ulaze ili izlaze iz jezgre, što uzrokuje učinak reaktivnosti u odsutnosti aktivnog kretanja upravljačkih elemenata.

Regulacija čvrstim pokretnim upijajućim elementima

Za brzu promjenu reaktivnosti u velikoj većini slučajeva koriste se čvrsti pomični apsorberi. U reaktoru RBMK, upravljačke šipke sadrže čahure od bor karbida zatvorene u cijevi od aluminijske legure promjera 50 ili 70 mm. Svaka kontrolna šipka smještena je u posebnom kanalu i hladi se vodom iz kruga sustava upravljanja i zaštite (sustava upravljanja i zaštite) na prosječnoj temperaturi od 50 °C. Prema namjeni šipke se dijele na AZ (zaštitne u slučaju opasnosti). ) šipke; u RBMK postoje 24 takve šipke. Automatske upravljačke šipke - 12 komada, lokalne automatske upravljačke šipke - 12 komada, ručne upravljačke šipke - 131, te 32 skraćene amortizerske šipke (USP). Ukupno ima 211 šipki. Štoviše, skraćene šipke umetnute su u jezgru odozdo, a ostatak odozgo.

Reaktor VVER 1000. 1 - pogon upravljačkog sustava; 2 - poklopac reaktora; 3 - tijelo reaktora; 4 - blok zaštitnih cijevi (BZT); 5 - osovina; 6 - kućište jezgre; 7 - sklopovi goriva (FA) i upravljačke šipke;

Zapaljivi upijajući elementi.

Kako bi se kompenzirala prekomjerna reaktivnost nakon utovara svježeg goriva, često se koriste spaljivi apsorberi. Čiji je princip rada da oni, poput goriva, nakon hvatanja neutrona naknadno prestaju apsorbirati neutrone (izgaraju). Štoviše, stopa smanjenja kao rezultat apsorpcije neutrona od strane apsorberskih jezgri manja je ili jednaka brzini smanjenja kao rezultat fisije jezgri goriva. Ako jezgru reaktora napunimo gorivom predviđenim za rad godinu dana, onda je očito da će broj jezgri fisijskih goriva na početku rada biti veći nego na kraju, a višak reaktivnosti moramo kompenzirati postavljanjem apsorbera. u jezgri. Ako se u tu svrhu koriste kontrolne šipke, moramo ih stalno pomicati kako se smanjuje broj jezgri goriva. Korištenje zapaljivih apsorbera smanjuje upotrebu pokretnih šipki. Danas se zapaljivi apsorbenti često dodaju izravno u pelete goriva tijekom njihove proizvodnje.

Kontrola reaktivnosti tekućine.

Takva se regulacija koristi, posebno, tijekom rada reaktora tipa VVER, borna kiselina H3BO3 koja sadrži 10B jezgre koje apsorbiraju neutrone uvodi se u rashladno sredstvo. Promjenom koncentracije borne kiseline u rashladnom putu mijenjamo reaktivnost u jezgri. U početnom razdoblju rada reaktora, kada ima mnogo jezgri goriva, koncentracija kiseline je maksimalna. Kako gorivo izgara, koncentracija kiseline se smanjuje.

Mehanizam lančane reakcije

Nuklearni reaktor može dugo raditi zadanom snagom samo ako ima rezervu reaktivnosti na početku rada. Izuzetak su subkritični reaktori s vanjskim izvorom toplinskih neutrona. Oslobađanje vezane reaktivnosti koja se smanjuje zbog prirodnih razloga osigurava održavanje kritičnog stanja reaktora u svakom trenutku njegova rada. Početna rezerva reaktivnosti stvara se izgradnjom jezgre dimenzija znatno većih od kritičnih. Kako bi se spriječilo da reaktor postane superkritičan, k0 medija za uzgoj se istodobno umjetno smanjuje. To se postiže uvođenjem tvari apsorbera neutrona u jezgru, koje se naknadno mogu ukloniti iz jezgre. Kao iu elementima upravljanja lančanom reakcijom, upijajuće tvari uključene su u materijal šipki jednog ili drugog poprečni presjek, krećući se duž odgovarajućih kanala u aktivnoj zoni. Ali ako su za regulaciju dovoljne jedna ili dvije ili nekoliko šipki, tada za kompenzaciju početne prekomjerne reaktivnosti broj šipki može doseći stotine. Ove šipke se nazivaju kompenzacijske šipke. Upravljačka i kompenzacijska šipka ne predstavljaju nužno različite elemente dizajna. Brojne kompenzacijske šipke mogu biti kontrolne šipke, ali funkcije obje su različite. Upravljačke šipke dizajnirane su za održavanje kritičnog stanja u bilo kojem trenutku, za zaustavljanje i pokretanje reaktora te za prijelaz s jedne razine snage na drugu. Sve ove operacije zahtijevaju male promjene u reaktivnosti. Kompenzacijske šipke postupno se uklanjaju iz jezgre reaktora, osiguravajući kritično stanje tijekom cijelog vremena njegovog rada.

Ponekad se kontrolne šipke ne izrađuju od upijajućih materijala, već od fisijskih materijala ili materijala za raspršivanje. Kod toplinskih reaktora to su uglavnom apsorberi neutrona, a učinkovitih brzih apsorbera neutrona nema. Apsorberi kao što su kadmij, hafnij i drugi snažno apsorbiraju samo toplinske neutrone zbog blizine prve rezonancije toplinskom području, a izvan potonjeg se ne razlikuju od drugih tvari u svojim apsorbirajućim svojstvima. Izuzetak je bor, čiji presjek apsorpcije neutrona opada s energijom znatno sporije nego kod navedenih tvari, prema zakonu l/v. Stoga bor apsorbira brze neutrone, iako slabo, ali nešto bolje od drugih tvari. Materijal apsorbera u brzom neutronskom reaktoru može biti samo bor, po mogućnosti obogaćen izotopom 10B. Osim bora, fisibilni materijali koriste se i za kontrolne šipke u reaktorima na brzim neutronima. Kompenzacijska šipka izrađena od fisibilnog materijala ima istu funkciju kao i šipka za apsorbiranje neutrona: povećava reaktivnost reaktora, dok ona prirodno opada. Međutim, za razliku od apsorbera, takva šipka se na početku rada reaktora nalazi izvan jezgre, a zatim se uvodi u jezgru.

Materijali raspršivača koji se koriste u brzim reaktorima su nikal, koji ima presjek raspršenja za brze neutrone koji je malo veći od presjeka drugih tvari. Šipke raspršivača nalaze se duž periferije jezgre i njihovo uranjanje u odgovarajući kanal uzrokuje smanjenje curenja neutrona iz jezgre i, posljedično, povećanje reaktivnosti. U nekim posebnim slučajevima, u svrhu upravljanja lančanom reakcijom služe pokretni dijelovi neutronskih reflektora, koji pri pomicanju mijenjaju istjecanje neutrona iz jezgre. Upravljačke, kompenzacijske i sigurnosne šipke, zajedno sa svom opremom koja osigurava njihov normalan rad, čine sustav upravljanja i zaštite reaktora (CPS).

Hitna zaštita:

Hitna zaštita nuklearnog reaktora je skup uređaja namijenjenih brzom zaustavljanju lančane nuklearne reakcije u jezgri reaktora.

Aktivna zaštita od nužde automatski se aktivira kada jedan od parametara nuklearnog reaktora dosegne vrijednost koja bi mogla dovesti do nesreće. Takvi parametri mogu uključivati: temperaturu, tlak i protok rashladnog sredstva, razinu i brzinu povećanja snage.

Izvršni elementi zaštite u nuždi su u većini slučajeva šipke s tvari koja dobro apsorbira neutrone (bor ili kadmij). Ponekad se, kako bi se reaktor zatvorio, tekući apsorber ubrizgava u petlju rashladnog sredstva.

Osim aktivne zaštite, mnoge moderne izvedbe uključuju i elemente pasivne zaštite. Na primjer, moderne verzije VVER reaktora uključuju "Sustav hlađenja jezgre u hitnim slučajevima" (ECCS) - posebne spremnike s bornom kiselinom koji se nalaze iznad reaktora. U slučaju najveće projektirane nesreće (puknuće prvog rashladnog kruga reaktora), sadržaj ovih spremnika gravitacijom završava u jezgri reaktora, a lančana nuklearna reakcija se gasi velikom količinom tvari koja sadrži bor , koji dobro apsorbira neutrone.

Prema “Pravilima nuklearne sigurnosti za reaktorska postrojenja nuklearnih elektrana” barem jedan od predviđenih sustava za gašenje reaktora mora obavljati funkciju zaštite od nužde (EP). Zaštita u nuždi mora imati najmanje dvije neovisne skupine radnih elemenata. Na signal AZ, radni dijelovi AZ moraju se aktivirati iz bilo kojeg radnog ili međupoložaja.

AZ oprema mora se sastojati od najmanje dva neovisna kompleta.

Svaki komplet AZ opreme mora biti projektiran na način da je osigurana zaštita u rasponu promjena gustoće toka neutrona od 7% do 120% nominalne:

1. Po gustoći toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala;
2. Prema brzini povećanja gustoće toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala.

Svaki komplet opreme za zaštitu od nužde mora biti projektiran na način da se u cijelom rasponu promjena tehnoloških parametara utvrđenih u projektu reaktorskog postrojenja (RP) zaštita od nužde osigura s najmanje tri neovisna kanala za svaki tehnološki parametar. za koje je neophodna zaštita.

Upravljačke naredbe svakog skupa za AZ aktuatore moraju se prenositi kroz najmanje dva kanala. Kada se jedan kanal u jednom od skupova AZ opreme isključi iz rada, a da se ovaj set ne isključi iz rada, treba automatski generirati alarmni signal za taj kanal.

Zaštita u nuždi mora se aktivirati barem u sljedećim slučajevima:

1. Nakon postizanja AZ postavke za gustoću toka neutrona.
2. Nakon postizanja AZ postavke za brzinu povećanja gustoće toka neutrona.
3. Ako napon nestane u bilo kojem kompletu opreme za zaštitu od nužde i CPS sabirnicama za napajanje koje nisu isključene iz pogona.
4. U slučaju kvara bilo koja dva od tri zaštitna kanala za gustoću toka neutrona ili za brzinu porasta toka neutrona u bilo kojem kompletu AZ opreme koji nije isključen iz rada.
5. Kada su AZ postavke dostignute tehnološkim parametrima za koje je potrebno provesti zaštitu.
6. Prilikom aktiviranja AZ ključem iz kontrolne točke bloka (BCP) ili rezervne kontrolne točke (RCP).

Možda netko može još manje znanstveno ukratko objasniti kako blok nuklearne elektrane počinje s radom? :-)

Sjeti se teme poput Izvorni članak nalazi se na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -

Sredinom dvadesetog stoljeća pozornost čovječanstva bila je usmjerena oko atoma i znanstveničkih objašnjenja nuklearne reakcije, koju su isprva odlučili iskoristiti u vojne svrhe, izumivši prve nuklearne bombe prema projektu Manhattan. Ali 50-ih godina 20. stoljeća nuklearni reaktor u SSSR-u korišten je u miroljubive svrhe. Poznato je da je 27. lipnja 1954. godine u službu čovječanstva ušla prva nuklearna elektrana na svijetu snage 5000 kW. Nuklearni reaktor danas omogućuje proizvodnju električne energije od 4000 MW ili više, odnosno 800 puta više nego prije pola stoljeća.

Što je nuklearni reaktor: osnovna definicija i glavne komponente jedinice

Nuklearni reaktor je posebna jedinica koja proizvodi energiju kao rezultat ispravnog održavanja kontrolirane nuklearne reakcije. Dopušteno je koristiti riječ "atomski" u kombinaciji s riječju "reaktor". Mnogi općenito smatraju da su pojmovi "nuklearni" i "atomski" sinonimi, budući da ne nalaze temeljnu razliku između njih. Ali predstavnici znanosti skloni su ispravnijoj kombinaciji - "nuklearni reaktor".

Zanimljiv činjenica! Nuklearne reakcije mogu se dogoditi s oslobađanjem ili apsorpcijom energije.

Glavne komponente u dizajnu nuklearnog reaktora su sljedeći elementi:

• Moderator;
• Kontrolne šipke;
• Šipke koje sadrže obogaćenu smjesu izotopa urana;
• Posebni zaštitni elementi protiv zračenja;
• rashladna tekućina;
• Generator pare;
• Turbina;
• Generator;
• Kondenzator;
• Nuklearno gorivo.

Koje temeljne principe rada nuklearnog reaktora određuju fizičari i zašto su nepokolebljivi

Temeljni princip rada nuklearnog reaktora temelji se na osobitostima manifestacije nuklearne reakcije. U trenutku standardnog fizičkog lančanog nuklearnog procesa, čestica ulazi u interakciju s atomskom jezgrom, kao rezultat, jezgra se pretvara u novu uz oslobađanje sekundarnih čestica, koje znanstvenici nazivaju gama kvanti. Tijekom nuklearne lančane reakcije oslobađaju se ogromne količine toplinske energije. Prostor u kojem se odvija lančana reakcija naziva se jezgra reaktora.

Zanimljiv činjenica! Aktivna zona izvana nalikuje kotlu kroz koji teče obična voda, djelujući kao rashladno sredstvo.

Kako bi se spriječio gubitak neutrona, područje jezgre reaktora okruženo je posebnim reflektorom neutrona. Njegov primarni zadatak je odbaciti većinu emitiranih neutrona u jezgru. Ista tvar koja služi kao moderator obično se koristi kao reflektor.

Glavna kontrola nuklearnog reaktora odvija se pomoću posebnih kontrolnih šipki. Poznato je da se te šipke uvode u jezgru reaktora i stvaraju sve uvjete za rad bloka. Upravljačke šipke obično se izrađuju od kemijskih spojeva bora i kadmija. Zašto se koriste baš ti elementi? Da, sve zato što bor ili kadmij mogu učinkovito apsorbirati toplinske neutrone. I čim se planira lansiranje, prema principu rada nuklearnog reaktora, u jezgru se umeću kontrolne šipke. Njihova primarna zadaća je apsorbirati značajan dio neutrona i time izazvati razvoj lančane reakcije. Rezultat bi trebao doseći željenu razinu. Kada se snaga poveća iznad postavljene razine, uključuju se automatski strojevi, koji nužno uranjaju kontrolne šipke duboko u jezgru reaktora.

Dakle, postaje jasno da se igraju upravljačke ili upravljačke šipke važna uloga u radu termonuklearnog reaktora.

A kako bi se smanjilo curenje neutrona, jezgra reaktora je okružena neutronskim reflektorom, koji izbacuje značajnu masu neutrona koji slobodno izlaze u jezgru. Reflektor obično koristi istu tvar kao i moderator.

Prema standardu, jezgra atoma tvari moderatora ima relativno malu masu, tako da pri sudaru s lakom jezgrom neutron prisutan u lancu gubi više energije nego pri sudaru s teškom. Najčešći moderatori su obična voda ili grafit.

Zanimljiv činjenica! Neutroni u procesu nuklearne reakcije karakterizirani su izuzetno velika brzina kretanja, zbog čega je potreban moderator koji tjera neutrone da izgube dio svoje energije.

Niti jedan reaktor na svijetu ne može normalno funkcionirati bez pomoći rashladne tekućine, jer je njezina svrha odvođenje energije koja se stvara u srcu reaktora. Tekućina ili plinovi moraju se koristiti kao rashladno sredstvo, budući da nisu sposobni apsorbirati neutrone. Navedimo primjer rashladnog sredstva za kompaktni nuklearni reaktor - vodu, ugljični dioksid, a ponekad čak i tekući metalni natrij.

Dakle, principi rada nuklearnog reaktora u potpunosti se temelje na zakonima lančane reakcije i njezinog tijeka. Sve komponente reaktora - moderator, šipke, rashladna tekućina, nuklearno gorivo - obavljaju svoje dodijeljene zadatke, osiguravajući normalan rad reaktora.

Koje se gorivo koristi za nuklearne reaktore i zašto su odabrani ti kemijski elementi

Glavno gorivo u reaktorima mogu biti izotopi urana, plutonija ili torija.

Godine 1934. F. Joliot-Curie, promatrajući proces fisije jezgre urana, primijetio je da kao rezultat kemijska reakcija jezgra urana podijeljena je na fragmente-jezgre i dva ili tri slobodna neutrona. To znači da postoji mogućnost da se slobodni neutroni pridruže drugim jezgrama urana i izazovu novu fisiju. I tako, kao što predviđa lančana reakcija: iz tri jezgre urana oslobodit će se šest do devet neutrona koji će se ponovno pridružiti novonastalim jezgrama. I tako u nedogled.

Važno je zapamtiti! Neutroni koji se pojavljuju tijekom nuklearne fisije sposobni su izazvati fisiju jezgri izotopa urana s masenim brojem 235, a za uništavanje jezgri izotopa urana s masenim brojem 238, energija stvorena tijekom procesa raspada može biti nedostatna. .

Uran broj 235 rijetko se nalazi u prirodi. Njegov udio iznosi samo 0,7%, ali prirodni uran-238 zauzima prostraniju nišu i čini 99,3%.

Unatoč tako malom udjelu urana-235 u prirodi, fizičari i kemičari ga još uvijek ne mogu odbiti, jer je najučinkovitiji za rad nuklearnog reaktora, smanjujući troškove proizvodnje energije za čovječanstvo.

Kada su se pojavili prvi nuklearni reaktori i gdje se danas najčešće koriste?

Davne 1919. godine fizičari su već bili trijumfirali kada je Rutherford otkrio i opisao proces stvaranja pokretnih protona kao rezultat sudara alfa čestica s jezgrama atoma dušika. Ovo je otkriće značilo da je jezgra izotopa dušika, kao rezultat sudara s alfa česticom, transformirana u jezgru izotopa kisika.

Prije nego što su se pojavili prvi nuklearni reaktori, svijet je naučio nekoliko novih zakona fizike koji se bave svim važnim aspektima nuklearnih reakcija. Tako su 1934. F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski prvi iznijeli društvu i krugu svjetskih znanstvenika teorijsku pretpostavku i bazu dokaza o mogućnosti odvijanja nuklearnih reakcija. Svi pokusi bili su povezani s promatranjem fisije jezgre urana.

Godine 1939. E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch pratili su reakciju fisije jezgri urana pri bombardiranju neutronima. Tijekom istraživanja znanstvenici su otkrili da kada jedan ubrzani neutron pogodi jezgru urana, postojeća jezgra se podijeli na dva ili tri dijela.

Lančana reakcija je praktično dokazana sredinom 20. stoljeća. Znanstvenici su 1939. godine uspjeli dokazati da se fisijom jedne jezgre urana oslobađa oko 200 MeV energije. Ali otprilike 165 MeV se dodjeljuje kinetičkoj energiji jezgri fragmenata, a ostatak odnose gama kvanti. Ovo otkriće napravilo je iskorak u kvantnoj fizici.

E. Fermi nastavio je s radom i istraživanjem još nekoliko godina te je 1942. u SAD-u pustio u rad prvi nuklearni reaktor. Provedeni projekt nazvan je “Chicago Woodpile” i stavljen je na tračnice. Kanada je 5. rujna 1945. pustila u rad svoj nuklearni reaktor ZEEP. Europski kontinent nije mnogo zaostajao, au isto vrijeme se gradila instalacija F-1. A za Ruse postoji još jedan nezaboravan datum - 25. prosinca 1946. u Moskvi, pod vodstvom I. Kurchatova, reaktor je pokrenut. Nisu to bili najjači nuklearni reaktori, ali je to bio početak čovjekovog ovladavanja atomom.

U miroljubive svrhe znanstveni nuklearni reaktor stvoren je 1954. godine u SSSR-u. Prvi miroljubivi brod na svijetu s nuklearnom elektranom, ledolomac na nuklearni pogon Lenjin, izgrađen je u Sovjetskom Savezu 1959. godine. I još jedno postignuće naše države je nuklearni ledolomac "Arktika". Po prvi put u svijetu, ovaj površinski brod je stigao Sjeverni pol. To se dogodilo 1975. godine.

Prvi prijenosni nuklearni reaktori koristili su spore neutrone.

Gdje se koriste nuklearni reaktori i koje vrste čovječanstvo koristi?

• Industrijski reaktori. Koriste se za proizvodnju energije u nuklearnim elektranama.
• Nuklearni reaktori koji djeluju kao pogonske jedinice za nuklearne podmornice.
• Eksperimentalni (prijenosni, mali) reaktori. Bez njih se ne odvija niti jedan moderni znanstveni eksperiment ili istraživanje.

Danas je znanstveni svijet naučio koristiti posebne reaktore za desalinizaciju morske vode i opskrbu stanovništva visokokvalitetnim piti vodu. U Rusiji postoji mnogo aktivnih nuklearnih reaktora. Dakle, prema statistikama, od 2018. godine u državi djeluje oko 37 jedinica.

A prema klasifikaciji mogu biti sljedeći:

• Istraživanje (povijesno). To uključuje postaju F-1, koja je stvorena kao eksperimentalno mjesto za proizvodnju plutonija. I. V. Kurchatov radio je na F-1 i vodio prvi fizički reaktor.
• Istraživanje (aktivno).
• Oružarnica. Kao primjer reaktora - A-1, koji je ušao u povijest kao prvi reaktor s hlađenjem. Dosadašnja snaga nuklearnog reaktora je mala, ali funkcionalna.
• energija.
• Brodski. Poznato je da se na brodovima i podmornicama, iz potrebe i tehničke izvedivosti, koriste reaktori s vodenim hlađenjem ili tekućim metalom.
• Prostor. Kao primjer, nazovimo instalaciju Yenisei na svemirskim letjelicama, koja se aktivira ako je potrebno izvući dodatnu energiju, a morat će se dobiti pomoću solarnih panela i izvora izotopa.

Dakle, tema nuklearnih reaktora prilično je opsežna i stoga zahtijeva dubinsko proučavanje i razumijevanje zakona kvantna fizika. Ali važnost nuklearnih reaktora za energetiku i gospodarstvo države već je, nedvojbeno, obavijena aurom korisnosti i koristi.

Što je nuklearni reaktor?

Nuklearni reaktor, ranije poznat kao "nuklearni kotao" je uređaj koji se koristi za pokretanje i kontrolu kontinuirane nuklearne lančane reakcije. Nuklearni reaktori se koriste u nuklearne elektrane za proizvodnju električne energije i za brodske motore. Toplina iz nuklearne fisije prenosi se na radni fluid (vodu ili plin) koji prolazi kroz parne turbine. Voda ili plin pokreću lopatice broda ili okreću električne generatore. Para nastala kao rezultat nuklearne reakcije može se u načelu koristiti za toplinsku industriju ili za daljinsko grijanje. Neki se reaktori koriste za proizvodnju izotopa koji se koriste u medicinske i industrijske svrhe ili za proizvodnju plutonija za oružje. Neki od njih služe samo u istraživačke svrhe. Danas postoji oko 450 nuklearnih reaktora koji se koriste za proizvodnju električne energije u oko 30 zemalja diljem svijeta.

Princip rada nuklearnog reaktora

Baš kao što konvencionalne elektrane proizvode električnu energiju korištenjem toplinske energije oslobođene izgaranjem fosilnih goriva, nuklearni reaktori pretvaraju energiju oslobođenu kontroliranom nuklearnom fisijom u toplinsku energiju za daljnju pretvorbu u mehaničke ili električne oblike.

Proces nuklearne fisije

Kada značajan broj raspadajućih atomskih jezgri (kao što je uran-235 ili plutonij-239) apsorbira neutron, može doći do nuklearne fisije. Teška jezgra se raspada na dvije ili više lakih jezgri (produkti fisije), pri čemu se oslobađa kinetička energija, gama zračenje i slobodni neutroni. Neki od tih neutrona mogu kasnije biti apsorbirani od strane drugih fisijskih atoma i uzrokovati daljnju fisiju, koja oslobađa još više neutrona, i tako dalje. Ovaj proces je poznat kao nuklearna lančana reakcija.

Za kontrolu takve nuklearne lančane reakcije, apsorberi i moderatori neutrona mogu promijeniti udio neutrona koji ulaze u fisiju više jezgri. Nuklearni reaktori upravljaju se ručno ili automatski kako bi mogli zaustaviti reakciju raspada kada se otkriju opasne situacije.

Često korišteni regulatori toka neutrona su obična ("laka") voda (74,8% reaktora u svijetu), čvrsti grafit (20% reaktora) i "teška" voda (5% reaktora). U nekim eksperimentalnim tipovima reaktora predlaže se korištenje berilija i ugljikovodika.

Oslobađanje topline u nuklearnom reaktoru

Radno područje reaktora stvara toplinu na nekoliko načina:

• Kinetička energija produkata fisije pretvara se u toplinsku energiju kada se jezgre sudare sa susjednim atomima.
• Reaktor apsorbira dio gama zračenja nastalog tijekom fisije i pretvara njegovu energiju u toplinu.
• Toplina se stvara radioaktivnim raspadom produkata fisije i onih materijala koji su izloženi tijekom apsorpcije neutrona. Ovaj izvor topline ostat će nepromijenjen neko vrijeme, čak i nakon gašenja reaktora.

Tijekom nuklearnih reakcija, kilogram urana-235 (U-235) oslobađa otprilike tri milijuna puta više energije od kilograma ugljena spaljenog konvencionalnim putem (7,2 × 1013 džula po kilogramu urana-235 u usporedbi s 2,4 × 107 džula po kilogramu ugljena) ,

Sustav hlađenja nuklearnog reaktora

Rashladna tekućina nuklearnog reaktora - obično voda, ali ponekad plin, tekući metal (kao što je tekući natrij) ili rastaljena sol - cirkulira oko jezgre reaktora kako bi apsorbirala proizvedenu toplinu. Toplina se uklanja iz reaktora i zatim koristi za stvaranje pare. Većina reaktora koristi sustav hlađenja koji je fizički izoliran od vode koja ključa i stvara paru koja se koristi za turbine, poput vodenog reaktora pod tlakom. Međutim, u nekim reaktorima voda za parne turbine ključa izravno u jezgri reaktora; na primjer, u reaktoru tipa vode pod tlakom.

Praćenje toka neutrona u reaktoru

Izlazna snaga reaktora regulirana je kontrolom broja neutrona koji mogu izazvati više fisija.

Kontrolne šipke, koje su napravljene od "neutronskog otrova" koriste se za apsorbiranje neutrona. Što više neutrona apsorbira kontrolna šipka, to manje neutrona može izazvati daljnju fisiju. Dakle, uranjanje apsorpcijskih šipki duboko u reaktor smanjuje njegovu izlaznu snagu i, obrnuto, uklanjanje kontrolne šipke će je povećati.

Na prvoj razini upravljanja u svim nuklearnim reaktorima važan je fizikalni proces proces odgođene emisije neutrona iz brojnih fisijskih izotopa obogaćenih neutronima. Ovi odgođeni neutroni čine oko 0,65% ukupnog broja neutrona proizvedenih tijekom fisije, a ostatak (tzv. "brzi neutroni") nastaje neposredno tijekom fisije. Produkti fisije koji tvore odgođene neutrone imaju poluživot u rasponu od milisekundi do nekoliko minuta, pa je stoga potrebno dosta vremena da se točno odredi kada reaktor dosegne kritičnu točku. Održavanje reaktora u načinu lančane reaktivnosti, gdje su odgođeni neutroni potrebni za postizanje kritične mase, postiže se uporabom mehaničkih uređaja ili ljudske kontrole za kontrolu lančane reakcije u "stvarnom vremenu"; inače će vrijeme između postizanja kritičnosti i topljenja jezgre nuklearnog reaktora kao rezultat eksponencijalnog napona tijekom normalne nuklearne lančane reakcije biti prekratko da bi se interveniralo. Ovaj završna faza, gdje odgođeni neutroni više nisu potrebni za održavanje kritičnosti, poznata je kao kritičnost promptnog neutrona. Postoji ljestvica za opisivanje kritičnosti u numeričkom obliku, u kojoj je početna kritičnost označena kao "nula dolara", brza kritičnost kao "jedan dolar", ostale točke u procesu su interpolirane u "centima".

U nekim reaktorima rashladno sredstvo također djeluje kao moderator neutrona. Moderator povećava snagu reaktora uzrokujući da brzi neutroni koji se oslobađaju tijekom fisije gube energiju i postaju toplinski neutroni. Vjerojatnije je da će toplinski neutroni izazvati fisiju nego brzi neutroni. Ako je rashladno sredstvo ujedno i moderator neutrona, tada promjene temperature mogu utjecati na gustoću rashladnog sredstva/moderatora, a time i na promjenu izlazne snage reaktora. Što je viša temperatura rashladne tekućine, to će biti manje gustoća, a time i usporivač manje učinkovit.

U drugim tipovima reaktora rashladno sredstvo djeluje kao "neutronski otrov", apsorbirajući neutrone na isti način kao i kontrolne šipke. U ovim reaktorima, izlazna snaga može se povećati zagrijavanjem rashladne tekućine, čineći je manje gustoćom. Nuklearni reaktori obično imaju automatske i ručne sustave za gašenje reaktora u hitnim slučajevima. Ovi sustavi stavljaju velike količine "neutronskog otrova" (često bora u obliku borne kiseline) u reaktor kako bi zaustavili proces fisije ako se otkriju ili posumnja na opasne uvjete.

Većina vrsta reaktora osjetljiva je na proces poznat kao "ksenonska jama" ili "jodna jama". Široko rasprostranjeni produkt raspada ksenon-135, koji nastaje reakcijom fisije, igra ulogu apsorbera neutrona koji nastoji zatvoriti reaktor. Nakupljanje ksenona-135 može se kontrolirati održavanjem dovoljno visoke razine snage da ga uništi apsorbiranjem neutrona onoliko brzo koliko se proizvodi. Fisija također rezultira stvaranjem joda-135, koji se zauzvrat raspada (s poluživotom od 6,57 sati) u ksenon-135. Kada se reaktor zatvori, jod-135 nastavlja se raspadati i tvori ksenon-135, što otežava ponovno pokretanje reaktora u roku od dan ili dva jer se ksenon-135 raspada i tvori cezij-135, koji nije apsorber neutrona kao ksenon -135, 135, s poluživotom od 9,2 sata. Ovo privremeno stanje je "jodna rupa". Ako reaktor ima dovoljno dodatne snage, može se ponovno pokrenuti. Što se više ksenona-135 pretvara u ksenon-136, koji je slabiji apsorber neutrona, i unutar nekoliko sati reaktor doživljava ono što se zove "faza izgaranja ksenona". Dodatno, kontrolne šipke moraju biti umetnute u reaktor kako bi se kompenzirala apsorpcija neutrona kako bi se zamijenio izgubljeni ksenon-135. Neispravno pridržavanje takve procedure bio je ključni uzrok černobilske nesreće.

Reaktori koji se koriste u brodskim nuklearnim elektranama (posebno nuklearnim podmornicama) često ne mogu kontinuirano raditi za proizvodnju energije na isti način kao reaktori na kopnu. Osim toga, takav elektrane mora imati dugo razdoblje rada bez promjene goriva. Iz tog razloga, mnogi dizajni koriste visoko obogaćeni uran, ali sadrže apsorber zapaljivih neutrona u gorivim šipkama. To omogućuje projektiranje reaktora s viškom fisibilnog materijala, koji je relativno siguran na početku izgaranja gorivnog ciklusa reaktora zbog prisutnosti materijala koji apsorbira neutrone, a koji se naknadno zamjenjuje konvencionalnim dugotrajnim materijalom. apsorberi neutrona (izdržljiviji od ksenona-135), koji se postupno nakupljaju tijekom radnog vijeka goriva.

Kako se proizvodi električna energija?

Energija nastala tijekom fisije stvara toplinu, od koje se dio može pretvoriti u korisnu energiju. Uobičajena metoda korištenja te toplinske energije je korištenje za kuhanje vode i proizvodnju pare pod pritiskom, koja zauzvrat pokreće parnu turbinu, koja pokreće alternator i proizvodi električnu energiju.

Povijest prvih reaktora

Neutroni su otkriveni 1932. Shemu lančane reakcije koju pokreću nuklearne reakcije kao rezultat izlaganja neutronima prvi je implementirao mađarski znanstvenik Leo Sillard 1933. godine. Zatražio je patent za svoju jednostavnu ideju reaktora tijekom sljedeće godine rada u Admiralitetu u Londonu. Međutim, Szilardova ideja nije uključivala teoriju nuklearne fisije kao izvora neutrona, jer taj proces još nije bio otkriven. Szilardove ideje za nuklearne reaktore koji koriste lančane nuklearne reakcije posredovane neutronima u lakim elementima pokazale su se neizvodljivima.

Poticaj za stvaranje nove vrste reaktora koji koristi uran bilo je otkriće Lise Meitner, Fritza Strassmanna i Otta Hahna 1938., koji su "bombardirali" uran neutronima (koristeći reakciju alfa raspada berilija, "neutronsku pušku") za proizvodnju barij, za koji su vjerovali da je nastao raspadom jezgri urana. Naknadna istraživanja početkom 1939. (Szilard i Fermi) pokazala su da su neki neutroni također nastali tijekom fisije atoma, što je omogućilo nuklearnu lančanu reakciju koju je Szilard zamislio šest godina ranije.

Dana 2. kolovoza 1939. Albert Einstein potpisao je pismo koje je Szilard napisao predsjedniku Franklinu D. Rooseveltu, u kojem je navedeno da bi otkriće fisije urana moglo dovesti do stvaranja "ekstremno snažnih bombi novog tipa". To je dalo poticaj proučavanju reaktora i radioaktivnog raspada. Szilard i Einstein dobro su se poznavali i radili su zajedno mnogo godina, ali Einstein nikada nije razmišljao o ovoj mogućnosti za nuklearnu energiju sve dok ga Szilard nije obavijestio na početku svoje potrage da napiše pismo Einstein-Szilardu kako bi upozorio američku vladu,

Ubrzo nakon toga, 1939., Hitlerova Njemačka napala je Poljsku, čime je započeo Drugi svjetski rat. svjetski rat u Europi. SAD još nije bio službeno u ratu, ali u listopadu, kada je Einstein-Szilardovo pismo isporučeno, Roosevelt je primijetio da je svrha studije bila osigurati da nas "nacisti ne dignu u zrak". Američki nuklearni projekt započeo je, iako s određenim zakašnjenjem, jer je ostao skepticizam (osobito od strane Fermija) i zbog malog broja vladinih dužnosnika koji su u početku nadgledali projekt.

Sljedeće je godine američka vlada primila Frisch-Peierlsov memorandum od Velike Britanije u kojem je stajalo da je količina urana potrebna za izvođenje lančane reakcije mnogo manja nego što se mislilo. Memorandum je nastao uz sudjelovanje Komiteta Maud, koji je radio na projektu atomske bombe u Velikoj Britaniji, kasnije poznatom pod kodnim nazivom "Tube Alloys", a kasnije uključenom u Projekt Manhattan.

Naposljetku, prvi nuklearni reaktor koji je napravio čovjek, nazvan Chicago Woodpile 1, sagradio je na Sveučilištu u Chicagu tim predvođen Enricom Fermijem krajem 1942. U to je vrijeme američki atomski program već bio ubrzan zbog ulaska zemlje u rat. Chicago Woodpile dosegao je kritičnu točku 2. prosinca 1942. u 15:25. Okvir reaktora bio je izrađen od drva, držeći zajedno hrpu grafitnih blokova (otuda naziv) s ugniježđenim "briketima" ili "pseudo-sferama" prirodnog uranovog oksida.

Počevši od 1943., nedugo nakon stvaranja Chicago Woodpilea, američka vojska razvila je niz nuklearnih reaktora za projekt Manhattan. Glavna svrha najvećih reaktora (smještenih u kompleksu Hanford u državi Washington) bila je masovna proizvodnja plutonija za nuklearno oružje. Fermi i Szilard podnijeli su patentnu prijavu za reaktore 19. prosinca 1944. Dodjela je odgođena 10 godina zbog ratne tajnosti.

"Prvi na svijetu" je natpis na mjestu gdje se nalazio reaktor EBR-I, koji je danas muzej u blizini Arca, Idaho. Izvorno nazvan Chicago Woodpile 4, ovaj je reaktor napravljen pod vodstvom Waltera Sinna za Aregonski nacionalni laboratorij. Ovim eksperimentalnim brzim oplodnim reaktorom upravljala je Komisija za atomsku energiju SAD-a. Reaktor je proizveo 0,8 kW snage pri testiranju 20. prosinca 1951. i 100 kW (električne) snage sljedećeg dana, s projektiranim kapacitetom od 200 kW (električna snaga).

Osim vojne uporabe nuklearnih reaktora, bilo je politički razlozi nastaviti istraživanje atomske energije u miroljubive svrhe. Američki predsjednik Dwight Eisenhower održao je svoj čuveni govor "Atomi za mir" na Općoj skupštini UN-a 8. prosinca 1953. Ovaj diplomatski potez doveo je do širenja reaktorske tehnologije kako u SAD-u tako i diljem svijeta.

Prva nuklearna elektrana izgrađena u civilne svrhe bila je nuklearna elektrana AM-1 u Obninsku, puštena u rad 27. lipnja 1954. u Sovjetskom Savezu. Proizvodio je oko 5 MW električne energije.

Nakon Drugog svjetskog rata američka vojska tražila je druge primjene tehnologije nuklearnih reaktora. Istraživanja koja su provela kopnena vojska i zrakoplovstvo nisu provedena; Ipak, američka mornarica postigla je uspjeh porinuvši nuklearnu podmornicu USS brod Nautilus (SSN-571) 17. siječnja 1955.

Prva komercijalna nuklearna elektrana (Calder Hall u Sellafieldu, Engleska) otvorena je 1956. s početnim kapacitetom od 50 MW (kasnije 200 MW).

Prvi prijenosni nuklearni reaktor, Alco PM-2A, korišten je za proizvodnju električne energije (2 MW) za američku vojnu bazu Camp Century 1960. godine.

Glavne komponente nuklearne elektrane

Glavne komponente većine vrsta nuklearnih elektrana su:

Elementi nuklearnog reaktora

• Nuklearno gorivo (jezgra nuklearnog reaktora; moderator neutrona)
• Izvorni izvor neutrona
• Apsorber neutrona
• Neutronska puška (osigurava stalni izvor neutrona za ponovno pokretanje reakcije nakon gašenja)
• Sustav hlađenja (često su moderator neutrona i rashladna tekućina ista stvar, obično pročišćena voda)
• Kontrolne šipke
• Posuda nuklearnog reaktora (NRP)

Pumpa za dovod vode u kotlu

• Generatori pare (ne u nuklearnim reaktorima s kipućom vodom)
• Parna turbina
• Generator električne energije
• Kondenzator
• Rashladni toranj (nije uvijek potreban)
• Sustav za obradu radioaktivnog otpada (dio stanice za odlaganje radioaktivnog otpada)
• Mjesto za pretovar nuklearnog goriva
• Bazen istrošenog goriva

Sustav zaštite od zračenja

• Sustav zaštite rektora (RPS)
• Hitni dizel generatori
• Sustav hlađenja jezgre reaktora u hitnim slučajevima (ECCS)
• Sustav kontrole tekućine u hitnim slučajevima (hitno ubrizgavanje bora, samo u nuklearnim reaktorima s kipućom vodom)
• Sustav opskrbe tehnološkom vodom odgovornih potrošača (SOTVOP)

Zaštitna školjka

• Daljinski upravljač
• Hitna instalacija
• Nuklearni kompleks za obuku (u pravilu postoji imitacija upravljačke ploče)

Klasifikacije nuklearnih reaktora

Vrste nuklearnih reaktora

Nuklearni reaktori se klasificiraju na nekoliko načina; U nastavku je prikazan sažetak ovih metoda klasifikacije.

Podjela nuklearnih reaktora prema vrsti moderatora

Korišteni toplinski reaktori:

• Grafitni reaktori
  
• Reaktori s vodom pod tlakom
• Reaktori na tešku vodu(koristi se u Kanadi, Indiji, Argentini, Kini, Pakistanu, Rumunjskoj i Južnoj Koreji).
• Lakovodni reaktori(LVR). Lakovodni reaktori (najčešći tip termalnih reaktora) koriste običnu vodu za kontrolu i hlađenje reaktora. Ako se temperatura vode poveća, njezina se gustoća smanjuje, usporavajući protok neutrona dovoljno da izazove daljnje lančane reakcije. Ovo je negativno Povratne informacije stabilizira brzinu nuklearne reakcije. Reaktori s grafitom i teškom vodom imaju tendenciju zagrijavanja intenzivnije od reaktora s lakom vodom. Zbog dodatnog zagrijavanja takvi reaktori mogu koristiti prirodni uran/neobogaćeno gorivo.
• Reaktori na bazi moderatora lakih elemenata.
• Reaktori s rastaljenom soli(MSR) su vođeni prisutnošću lakih elemenata kao što su litij ili berilij, koji se nalaze u LiF i BEF2 solima rashladne tekućine/goriva.
• Reaktori s hladnjacima od tekućeg metala, gdje je rashladna tekućina mješavina olova i bizmuta, može koristiti BeO oksid kao apsorber neutrona.
• Reaktori na bazi organskog moderatora(OMR) koriste bifenil i terfenil kao komponente moderatora i hlađenja.

Klasifikacija nuklearnih reaktora prema vrsti rashladnog sredstva

• Reaktor hlađen vodom. U Sjedinjenim Državama postoje 104 aktivna reaktora. Od toga je 69 reaktora s vodom pod tlakom (PWR), a 35 reaktora s kipućom vodom (BWR). Nuklearni reaktori pod tlakom vode (PWR) čine veliku većinu svih zapadnih nuklearnih elektrana. Glavna karakteristika tipa RVD je prisutnost kompresora, posebne visokotlačne posude. Većina komercijalnih RVD reaktora i mornaričkih reaktorskih instalacija koristi superpunjače. Tijekom normalnog rada puhalo je djelomično ispunjeno vodom, a iznad njega se održava mjehurić pare koji nastaje zagrijavanjem vode potopnim grijačima. U normalnom načinu rada, kompresor je spojen na visokotlačnu reaktorsku posudu (HRVV), a kompenzator tlaka osigurava prisutnost šupljine u slučaju promjene volumena vode u reaktoru. Ova shema također omogućuje kontrolu tlaka u reaktoru povećanjem ili smanjenjem tlaka pare u kompenzatoru pomoću grijača.

• Visokotlačni teškovodni reaktori pripadaju vrsti reaktora s vodom pod tlakom (PWR), kombinirajući principe korištenja tlaka, izolirani toplinski ciklus, uz pretpostavku korištenja teške vode kao rashladnog sredstva i moderatora, što je ekonomski korisno.
• Reaktor s kipućom vodom(BWR). Modele reaktora s kipućom vodom karakterizira prisutnost kipuće vode oko gorivih šipki na dnu glavne posude reaktora. Reaktor s kipućom vodom kao gorivo koristi obogaćeni 235U, u obliku uranovog dioksida. Gorivo je sastavljeno u šipke smještene u čeličnu posudu, koja je pak uronjena u vodu. Proces nuklearne fisije uzrokuje ključanje vode i stvaranje pare. Ova para prolazi kroz cjevovode u turbinama. Turbine pokreće para, a taj proces stvara električnu energiju. Tijekom normalnog rada, tlak se kontrolira količinom vodene pare koja teče iz tlačne posude reaktora u turbinu.
• Bazenski reaktor
• Reaktor hlađen tekućim metalom. Budući da je voda moderator neutrona, ne može se koristiti kao rashladno sredstvo u reaktoru na brze neutrone. Rashladna sredstva od tekućeg metala uključuju natrij, NaK, olovo, olovo-bizmut eutektik, a za reaktore ranijih generacija, živu.
• Brzi neutronski reaktor hlađen natrijem.
• Reaktor na brze neutrone s olovnim rashladnim sredstvom.
• Plinom hlađeni reaktori hlađen cirkulirajućim inertnim plinom, začetim helijem u visokotemperaturnim strukturama. Istodobno, ugljični dioksid se ranije koristio u britanskim i francuskim nuklearnim elektranama. Korišten je i dušik. Korištenje topline ovisi o vrsti reaktora. Neki reaktori su toliko vrući da plin može izravno pokretati plinsku turbinu. Stariji dizajni reaktora obično su uključivali prolazak plina kroz izmjenjivač topline za stvaranje pare za parnu turbinu.
• Reaktori za rastopljenu sol(MSR) se hlade cirkulirajućom rastaljenom soli (obično eutektičke smjese fluoridnih soli kao što je FLiBe). U tipičnom MSR-u, rashladno sredstvo se također koristi kao matrica u kojoj je otopljen fisibilni materijal.

Generacije nuklearnih reaktora

• Reaktor prve generacije(rani prototipovi, istraživački reaktori, nekomercijalni energetski reaktori)
• Reaktor druge generacije(najmodernije nuklearne elektrane 1965.-1996.)
• Reaktor treće generacije(evolutivna poboljšanja postojećih dizajna 1996–danas)
• Reaktor četvrte generacije(tehnologije još uvijek u razvoju, nepoznat datum početka, moguće 2030.)

Godine 2003. francuski Komesarijat za atomsku energiju (CEA) prvi je put uveo oznaku "Gen II" tijekom Tjedna nukleonike.

Prvi put se "Gen III" spominje 2000. godine u vezi s početkom Međunarodnog foruma Generation IV (GIF).

"Gen IV" je 2000. godine spomenuto od strane Ministarstva energetike Sjedinjenih Država (DOE) za razvoj novih tipova elektrana.

Klasifikacija nuklearnih reaktora prema vrsti goriva

• Reaktor na kruto gorivo
• Reaktor na tekuće gorivo
• Homogen reaktor hlađen vodom
• Reaktor rastaljene soli
• Reaktori na plinsko gorivo (teoretski)

Podjela nuklearnih reaktora prema namjeni

• Proizvodnja električne energije
• Nuklearne elektrane, uključujući male klaster reaktore
• Samohodni uređaji (vidi nuklearne elektrane)
• Nuklearna offshore postrojenja
• U ponudi su različiti tipovi raketnih motora
• Ostali oblici korištenja topline
• Desalinizacija
• Proizvodnja topline za kućno i industrijsko grijanje
• Proizvodnja vodika za korištenje u vodikovoj energetici
• Proizvodni reaktori za pretvorbu elemenata
• Reaktori za razmnožavanje koji mogu proizvesti više fisibilnog materijala nego što potroše tijekom lančane reakcije (pretvaranjem matičnih izotopa U-238 u Pu-239 ili Th-232 u U-233). Dakle, nakon završetka jednog ciklusa, reaktor za oplemenjivanje urana može se ponovno napuniti prirodnim ili čak osiromašenim uranom. S druge strane, reaktor za oplemenjivanje torija može se ponovno napuniti torijem. Međutim, potrebna je početna opskrba fisibilnim materijalom.
• Stvaranje raznih radioaktivnih izotopa, kao što je americij za upotrebu u detektorima dima i kobalt-60, molibden-99 i drugi, koji se koriste kao indikatori i za liječenje.
• Proizvodnja materijala za nuklearno oružje, kao što je plutonij za oružje
• Stvaranje izvora neutronskog zračenja (na primjer, pulsni reaktor Lady Godiva) i pozitronskog zračenja (na primjer, analiza aktivacije neutrona i datiranje kalij-argonom)
• Istraživački reaktor: Reaktori se obično koriste za znanstveno istraživanje i obuka, testiranje materijala ili proizvodnja radioizotopa za medicinu i industriju. Mnogo su manji od energetskih ili brodskih reaktora. Mnogi od tih reaktora nalaze se u sveučilišnim kampusima. Postoji oko 280 takvih reaktora koji rade u 56 zemalja. Neki rade s visoko obogaćenim uranovim gorivom. U tijeku su međunarodni napori da se zamijene nisko obogaćena goriva.

Moderni nuklearni reaktori

Ovi reaktori koriste visokotlačnu posudu za držanje nuklearnog goriva, kontrolnih šipki, moderatora i rashladnog sredstva. Hlađenje reaktora i moderiranje neutrona događa se tekućom vodom pod visokim tlakom. Vruća radioaktivna voda koja napušta visokotlačnu posudu prolazi kroz krug generatora pare, koji zauzvrat zagrijava sekundarni (neradioaktivni) krug. Ovi reaktori čine većinu modernih reaktora. Ovo je uređaj za grijanje strukture neutronskog reaktora, od kojih su najnoviji VVER-1200, napredni reaktor s vodom pod tlakom i europski reaktor s vodom pod tlakom. Reaktori američke mornarice su ovog tipa.

Reaktori s kipućom vodom slični su reaktorima s vodom pod tlakom bez generatora pare. Reaktori s kipućom vodom također koriste vodu kao rashladno sredstvo i moderator neutrona kao vodeni reaktori pod tlakom, ali pri nižem tlaku, dopuštajući vodi da ključa unutar kotla, stvarajući paru koja pokreće turbine. Za razliku od reaktora s vodom pod tlakom, nema primarnog ni sekundarnog kruga. Kapacitet grijanja ovih reaktora može biti veći, oni mogu biti jednostavnijeg dizajna, pa čak i stabilniji i sigurniji. Ovo je uređaj s toplinskim neutronskim reaktorom, od kojih su najnoviji napredni reaktor s kipućom vodom i ekonomični pojednostavljeni nuklearni reaktor s kipućom vodom.

Kanadski dizajn (poznat kao CANDU), ovo su reaktori s rashladnim sredstvom pod tlakom, moderirani teškom vodom. Umjesto korištenja jedne tlačne posude, kao u reaktorima s vodom pod tlakom, gorivo se nalazi u stotinama visokotlačnih prolaza. Ovi reaktori rade na prirodnom uranu i reaktori su na toplinske neutrone. Teškovodni reaktori mogu se puniti gorivom dok rade punom snagom, što ih čini vrlo učinkovitima u korištenju urana (to omogućuje preciznu kontrolu protoka u jezgri). CANDU reaktori na tešku vodu izgrađeni su u Kanadi, Argentini, Kini, Indiji, Pakistanu, Rumunjskoj i Južnoj Koreji. Indija također upravlja brojnim reaktorima na tešku vodu, koji se često nazivaju "CANDU derivatima", izgrađenim nakon što je kanadska vlada okončala svoj nuklearni odnos s Indijom nakon testiranja nuklearnog oružja Smiling Buddha 1974. godine.

Sovjetski razvoj, dizajniran za proizvodnju plutonija, kao i električne energije. RBMK koriste vodu kao rashladno sredstvo i grafit kao moderator neutrona. RBMK-ovi su u nekim aspektima slični CANDU-ima jer se mogu puniti tijekom rada i koriste tlačne cijevi umjesto visokotlačne posude (kao u reaktorima s vodom pod tlakom). Međutim, za razliku od CANDU-a, oni su vrlo nestabilni i glomazni, što čini poklopac reaktora skupim. U dizajnu RBMK također je identificiran niz kritičnih sigurnosnih nedostataka, iako su neki od tih nedostataka ispravljeni nakon Černobilska katastrofa. Njihova glavna značajka je korištenje lake vode i neobogaćenog urana. Od 2010. godine 11 reaktora ostaje otvoreno, uglavnom zahvaljujući poboljšanim razinama sigurnosti i potpori međunarodnih organizacija za sigurnost kao što je Ministarstvo energetike SAD-a. Unatoč ovim poboljšanjima, RBMK reaktori još uvijek se smatraju jednim od najopasnijih dizajna reaktora za korištenje. RBMK reaktori su se koristili samo u bivšem Sovjetskom Savezu.

Oni obično koriste grafitni moderator neutrona i CO2 rashladno sredstvo. Zbog svojih visokih radnih temperatura mogu biti učinkovitiji u proizvodnji topline od reaktora s vodom pod tlakom. Postoji niz operativnih reaktora ovog dizajna, uglavnom u Ujedinjenom Kraljevstvu gdje je koncept razvijen. Stariji objekti (tj. Magnox Station) su ili zatvoreni ili će biti zatvoreni u bliskoj budućnosti. Međutim, poboljšani plinom hlađeni reaktori imaju očekivani radni vijek od dodatnih 10 do 20 godina. Reaktori ovog tipa su reaktori na toplinske neutrone. Novčani troškovi razgradnje takvih reaktora mogu biti visoki zbog velikog volumena jezgre.

Ovaj reaktor je dizajniran da se hladi tekućim metalom, bez moderatora, i proizvodi više goriva nego što troši. Za njih se kaže da su "uzgajivači" goriva jer proizvode fisijsko gorivo hvatanjem neutrona. Takvi reaktori mogu funkcionirati na isti način kao reaktori s vodom pod tlakom u smislu učinkovitosti, ali zahtijevaju kompenzaciju povećanog tlaka jer koriste tekući metal koji ne stvara višak tlaka čak ni pri vrlo visokim temperaturama. BN-350 i BN-600 u SSSR-u i Superphoenix u Francuskoj bili su reaktori ovog tipa, kao i Fermi-I u Sjedinjenim Državama. Reaktor Monju u Japanu, oštećen curenjem natrija 1995., nastavio je s radom u svibnju 2010. Svi ovi reaktori koriste/su koristili tekući natrij. Ovi reaktori su reaktori na brze neutrone i ne spadaju u reaktore s toplinskim neutronima. Ovi reaktori su dvije vrste:

Korištenje olova kao tekućeg metala pruža izvrsnu zaštitu od radioaktivnog zračenja, te omogućuje rad na vrlo visokim temperaturama. Osim toga, olovo je (uglavnom) prozirno za neutrone, tako da se manje neutrona gubi u rashladnoj tekućini i rashladna tekućina ne postaje radioaktivna. Za razliku od natrija, olovo je općenito inertan, tako da postoji manji rizik od eksplozije ili nezgode, ali tako velike količine olova mogu uzrokovati probleme s gledišta toksičnosti i odlaganja otpada. Eutektičke smjese olova i bizmuta često se mogu koristiti u ovoj vrsti reaktora. U ovom slučaju, bizmut će predstavljati malu smetnju zračenju jer nije potpuno proziran za neutrone i može mutirati u drugi izotop lakše nego olovo. Ruska podmornica klase Alpha koristi brzi reaktor hlađen olovom-bizmutom kao svoj glavni sustav za proizvodnju energije.

Većina oplodnih reaktora s tekućim metalom (LMFBR) je ove vrste. Natrij je relativno lako dobiti i s njim se lako radi, a pomaže u sprječavanju korozije raznih dijelova reaktora uronjenih u njega. Međutim, natrij burno reagira u dodiru s vodom, pa treba biti oprezan, iako takve eksplozije neće biti mnogo jače od, primjerice, curenja pregrijane tekućine iz SCWR ili RWD reaktora. EBR-I je prvi reaktor tog tipa čija se jezgra sastoji od taline.

Koriste gorivo utisnuto u keramičke kuglice u kojima plin cirkulira kroz kuglice. Rezultat su učinkoviti, nepretenciozni, vrlo sigurni reaktori s jeftinim, standardiziranim gorivom. Prototip je bio reaktor AVR.

U njima je gorivo otopljeno u solima fluorida ili se fluoridi koriste kao rashladno sredstvo. Njihovi različiti sigurnosni sustavi, visoka efikasnost i visoke gustoće energije pogodni su za vozila. Važno je napomenuti da nemaju izložene dijelove visoki pritisci ili zapaljive komponente u jezgri. Prototip je bio reaktor MSRE, koji je također koristio torijev ciklus goriva. Kao reaktor za razmnožavanje, on prerađuje istrošeno gorivo, ekstrahirajući i uran i transuranske elemente, ostavljajući samo 0,1% transuranskog otpada u usporedbi s konvencionalnim protočnim uranovim lakim vodenim reaktorima koji trenutno rade. Posebna tema su produkti radioaktivne fisije, koji se ne prerađuju i moraju se odlagati u konvencionalne reaktore.

Ovi reaktori koriste gorivo u obliku topljivih soli, koje su otopljene u vodi i pomiješane s rashladnim sredstvom i moderatorom neutrona.

Inovativni nuklearni sustavi i projekti

Napredni reaktori

U razvoju je više od desetak naprednih projekata reaktora razne faze razvoj. Neki su se razvili iz dizajna reaktora RWD, BWR i PHWR, neki se značajnije razlikuju. Prvi uključuju napredni reaktor s kipućom vodom (ABWR) (dva trenutno rade, a drugi su u izgradnji), kao i planirani ekonomični pojednostavljeni reaktor s kipućom vodom (ESBWR) i postrojenja AP1000 (vidi Nuklearni energetski program 2010).

Integrirani nuklearni reaktor na brze neutrone(IFR) izgrađen je, testiran i ispitan tijekom 1980-ih, a zatim je umirovljen nakon što je Clintonova administracija napustila dužnost 1990-ih zbog politike nuklearnog neširenja. Ponovna obrada istrošenog nuklearnog goriva ugrađena je u njegov dizajn i stoga proizvodi samo dio otpada iz reaktora koji rade.

Modularni reaktor visoke temperature hlađen plinom reaktor (HTGCR), projektiran je na način da visoke temperature smanjuju izlaznu snagu zbog Dopplerovog širenja presjeka neutronskog snopa. Reaktor koristi keramičku vrstu goriva, tako da njegove sigurne radne temperature prelaze temperaturni raspon smanjenje snage. Većina struktura se hladi inertnim helijem. Helij ne može izazvati eksploziju zbog širenja pare, nije apsorber neutrona koji bi uzrokovao radioaktivnost i ne otapa kontaminante koji bi mogli biti radioaktivni. Tipični dizajni sastoje se od više slojeva pasivne zaštite (do 7) nego kod lakovodnih reaktora (obično 3). Jedinstvena značajka koja može osigurati sigurnost je da gorive kuglice zapravo čine jezgru i mijenjaju se jedna po jedna tijekom vremena. Dizajn gorivih ćelija čini ih skupim za recikliranje.

Mali, zatvoreni, mobilni, autonomni reaktor (SSTAR) izvorno je testiran i razvijen u SAD-u. Reaktor je projektiran kao brzi neutronski reaktor, s pasivnim zaštitnim sustavom koji se može daljinski isključiti ako se posumnja na probleme.

Čist i ekološki prihvatljiv napredni reaktor (CAESAR) je koncept za nuklearni reaktor koji koristi paru kao moderator neutrona - dizajn koji je još uvijek u razvoju.

Smanjeni reaktor s vodenim moderatorom temelji se na poboljšanom reaktoru s kipućom vodom (ABWR) koji je trenutno u uporabi. To nije potpuno brzi neutronski reaktor, već koristi uglavnom epitermalne neutrone, koji imaju brzine srednje između toplinskih i brzih.

Samoregulirajući nuklearni energetski modul s moderatorom vodikovih neutrona (HPM) je dizajn tipa reaktora koji proizvodi Nacionalni laboratorij Los Alamos koji koristi uran hidrid kao gorivo.

Subkritični nuklearni reaktori namijenjeni su da budu sigurniji i stabilniji, ali ih je teško projektirati i ekonomski odnosi. Jedan primjer je Energy Booster.

Reaktori na bazi torija. Moguće je pretvoriti torij-232 u U-233 u reaktorima koji su posebno dizajnirani za tu svrhu. Na taj način se torij, koji je četiri puta zastupljeniji od urana, može koristiti za proizvodnju nuklearnog goriva na bazi U-233. Vjeruje se da U-233 ima povoljna nuklearna svojstva u usporedbi s konvencionalno korištenim U-235, posebice bolju učinkovitost neutrona i smanjenje količine proizvedenog dugoživućeg transuranijskog otpada.

Poboljšani reaktor za tešku vodu (AHWR)- predloženi teškovodni reaktor koji će predstavljati razvoj sljedeće generacije tipa PHWR. U razvoju u Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Indija.

KAMINI- jedinstveni reaktor koji koristi izotop urana-233 kao gorivo. Izgrađen u Indiji u istraživačkom centru BARC i centru za nuklearna istraživanja Indira Gandhi (IGCAR).

Indija također planira izgraditi brze reaktore koji koriste ciklus goriva torij-uran-233. FBTR (Fast Breeder Reactor) (Kalpakkam, Indija) koristi plutonij kao gorivo i tekući natrij kao rashladno sredstvo tijekom rada.

Što su reaktori četvrte generacije?

Četvrta generacija reaktora skup je različitih teorijskih dizajna koji se trenutno razmatraju. Malo je vjerojatno da će ti projekti biti dovršeni do 2030. Trenutačni reaktori koji rade općenito se smatraju sustavima druge ili treće generacije. Sustavi prve generacije već se neko vrijeme ne koriste. Razvoj ove četvrte generacije reaktora službeno je pokrenut na Generation IV International Forum (GIF) na temelju osam tehnoloških ciljeva. Glavni ciljevi bili su poboljšati nuklearnu sigurnost, povećati sigurnost od proliferacije, minimizirati otpad i upotrebu prirodni resursi, kao i smanjiti troškove izgradnje i pokretanja takvih postaja.

• Plinom hlađeni brzi neutronski reaktor
• Brzi reaktor s olovnim hladnjakom
• Reaktor za tekuću sol
• Brzi reaktor hlađen natrijem
• Superkritični nuklearni reaktor hlađen vodom
• Nuklearni reaktor ultra visoke temperature

Što su reaktori pete generacije?

Peta generacija reaktora su projekti čija je realizacija teoretski moguća, ali koji u ovom trenutku nisu predmet aktivnog razmatranja i istraživanja. Iako se takvi reaktori mogu izgraditi trenutno ili kratkoročno, oni su privukli malo interesa zbog ekonomske izvedivosti, praktičnosti ili sigurnosti.

• Reaktor tekuće faze. Zatvoreni krug s tekućinom u jezgri nuklearnog reaktora, gdje je fisibilni materijal u obliku rastaljenog urana ili otopine urana hlađene radnim plinom koji se ubrizgava kroz rupe na dnu posude za držanje.
• Plinoviti reaktor u jezgri. Opcija zatvorenog ciklusa za raketu s nuklearni motor, gdje je fisibilni materijal plinoviti uranov heksafluorid koji se nalazi u kvarcnom spremniku. Radni plin (kao što je vodik) teći će oko ove posude i apsorbirati ultraljubičasto zračenje koje je rezultat nuklearne reakcije. Takav bi se dizajn mogao koristiti kao raketni motor, kao što je spomenuto u znanstvenofantastičnom romanu Skyfall Harryja Harrisona iz 1976. godine. U teoriji, korištenje uranovog heksafluorida kao nuklearnog goriva (a ne kao međuproizvoda, kao što se trenutno radi) rezultiralo bi nižim troškovima proizvodnje energije i također bi značajno smanjilo veličinu reaktora. U praksi, reaktor koji radi na tako velikim gustoćama snage proizvodio bi nekontrolirani protok neutrona, slabeći svojstva čvrstoće većine reaktorskih materijala. Dakle, protok bi bio sličan protoku čestica koje se oslobađaju u termonuklearnim instalacijama. S druge strane, to bi zahtijevalo upotrebu materijala koji su slični onima koji se koriste u okviru. Međunarodni projekt o realizaciji postrojenja za ozračivanje materijala u uvjetima termonuklearne reakcije.
• Plinoviti elektromagnetski reaktor. Isto kao plinski reaktor, ali s fotonaponskim ćelijama koje pretvaraju ultraljubičasto svjetlo izravno u električnu energiju.
• Fragmentacijski reaktor
• Hibridna nuklearna fuzija. Koriste se neutroni emitirani tijekom fuzije i raspadanja originala ili "tvari u zoni razmnožavanja". Na primjer, transmutacija U-238, Th-232 ili istrošenog goriva/radioaktivnog otpada iz drugog reaktora u relativno benigne izotope.

Reaktor s plinskom fazom u jezgri. Opcija zatvorenog ciklusa za raketu na nuklearni pogon, gdje je fisibilni materijal plin uranov heksafluorid smješten u kvarcnom spremniku. Radni plin (kao što je vodik) teći će oko ove posude i apsorbirati ultraljubičasto zračenje koje je rezultat nuklearne reakcije. Takav bi se dizajn mogao koristiti kao raketni motor, kao što je spomenuto u znanstvenofantastičnom romanu Skyfall Harryja Harrisona iz 1976. godine. U teoriji, korištenje uranovog heksafluorida kao nuklearnog goriva (a ne kao međuproizvoda, kao što se trenutno radi) rezultiralo bi nižim troškovima proizvodnje energije i također bi značajno smanjilo veličinu reaktora. U praksi, reaktor koji radi na tako velikim gustoćama snage proizvodio bi nekontrolirani protok neutrona, slabeći svojstva čvrstoće većine reaktorskih materijala. Dakle, protok bi bio sličan protoku čestica koje se oslobađaju u termonuklearnim instalacijama. To bi pak zahtijevalo korištenje materijala sličnih materijalima koji se koriste u okviru Međunarodnog projekta za izvođenje postrojenja za ozračivanje materijala u uvjetima termonuklearne reakcije.

Plinoviti elektromagnetski reaktor. Isto kao plinski reaktor, ali s fotonaponskim ćelijama koje pretvaraju ultraljubičasto svjetlo izravno u električnu energiju.

Fragmentacijski reaktor

Hibridna nuklearna fuzija. Koriste se neutroni emitirani tijekom fuzije i raspadanja originala ili "tvari u zoni razmnožavanja". Na primjer, transmutacija U-238, Th-232 ili istrošenog goriva/radioaktivnog otpada iz drugog reaktora u relativno benigne izotope.

Fuzijski reaktori

Kontrolirana nuklearna fuzija može se koristiti u fuzijskim elektranama za proizvodnju električne energije bez komplikacija povezanih s radom s aktinoidima. Međutim, i dalje postoje značajne znanstvene i tehnološke prepreke. Izgrađeno je nekoliko fuzijskih reaktora, ali tek nedavno su reaktori uspjeli osloboditi više energije nego što su je potrošili. Iako su istraživanja započela 1950-ih, očekuje se da komercijalni fuzijski reaktor neće raditi do 2050. godine. Trenutno su u tijeku napori da se iskoristi fuzijska energija u okviru projekta ITER.

Ciklus nuklearnog goriva

Toplinski reaktori općenito ovise o stupnju pročišćavanja i obogaćivanja urana. Neki nuklearni reaktori mogu biti pogonjeni mješavinom plutonija i urana (vidi MOX gorivo). Proces kojim se ruda urana iskopava, prerađuje, obogaćuje, koristi, eventualno reciklira i odlaže poznat je kao ciklus nuklearnog goriva.

Do 1% urana u prirodi je lako fisijski izotop U-235. Stoga dizajn većine reaktora uključuje korištenje obogaćenog goriva. Obogaćivanje uključuje povećanje udjela U-235 i obično se provodi plinskom difuzijom ili u plinskoj centrifugi. Obogaćeni proizvod se dalje pretvara u prah uranovog dioksida, koji se preša i ispaljuje u granule. Te se granule stavljaju u epruvete, koje se zatim zatvaraju. Ove cijevi se nazivaju gorivne šipke. Svaki nuklearni reaktor koristi mnoge od ovih gorivih šipki.

Većina komercijalnih BWR i PWR reaktora koristi uran obogaćen na približno 4% U-235. Osim toga, neki industrijski reaktori s velikom uštedom neutrona uopće ne zahtijevaju obogaćeno gorivo (to jest, mogu koristiti prirodni uran). Prema Međunarodnoj agenciji za atomsku energiju, u svijetu postoji najmanje 100 istraživačkih reaktora koji koriste visoko obogaćeno gorivo (oružani stupanj/90% obogaćeni uran). Rizik od krađe ove vrste goriva (moguće za upotrebu u proizvodnji nuklearnog oružja) doveo je do kampanje koja poziva na prelazak na reaktore koji koriste nisko obogaćeni uran (koji predstavlja manju prijetnju širenju).

Fisijski U-235 i nefisijski, fisibilni U-238 koriste se u procesu nuklearne transformacije. U-235 se cijepa toplinskim (tj. sporim) neutronima. Toplinski neutron je onaj koji se kreće približno istom brzinom kao i atomi oko njega. Budući da je vibracijska frekvencija atoma proporcionalna njihovoj apsolutnoj temperaturi, toplinski neutron ima veću sposobnost cijepanja U-235 kada se kreće istom brzinom vibracije. S druge strane, veća je vjerojatnost da će U-238 uhvatiti neutron ako se neutron kreće vrlo brzo. Atom U-239 raspada se što je brže moguće i formira plutonij-239, koji je i sam gorivo. Pu-239 je vrijedno gorivo i mora se uzeti u obzir čak i kada se koristi visoko obogaćeno uransko gorivo. Procesi raspada plutonija će dominirati procesima fisije U-235 u nekim reaktorima. Pogotovo nakon što se izvorno učitani U-235 potroši. Plutonij fisira i u brzim i u toplinskim reaktorima, što ga čini idealnim i za nuklearne reaktore i za nuklearne bombe.

Većina postojećih reaktora su termalni reaktori, koji obično koriste vodu kao moderator neutrona (moderator znači da usporava neutron do toplinske brzine), a također i kao rashladno sredstvo. Međutim, brzi neutronski reaktor koristi nešto drugačiju vrstu rashladne tekućine koja neće previše usporiti protok neutrona. To omogućuje prevladavanje brzih neutrona, što se može učinkovito koristiti za stalno obnavljanje zaliha goriva. Jednostavnim stavljanjem jeftinog, neobogaćenog urana u jezgru, U-238 koji se spontano ne može fisirati pretvorit će se u Pu-239, "razmnožavajući" gorivo.

U ciklusu goriva koji se temelji na toriju, torij-232 apsorbira neutron i u brzom i u termalnom reaktoru. Beta raspad torija proizvodi protaktinij-233, a zatim uran-233, koji se pak koristi kao gorivo. Stoga je, poput urana-238, torij-232 plodan materijal.

Održavanje nuklearnog reaktora

Količina energije u rezervoaru nuklearnog goriva često se izražava u terminima "dana pune snage", što je broj 24-satnih razdoblja (dana) u kojima reaktor radi punom snagom za proizvodnju toplinske energije. Dani rada pune snage u radnom ciklusu reaktora (između intervala potrebnih za punjenje goriva) povezani su s količinom raspadajućeg urana-235 (U-235) sadržanog u gorivim elementima na početku ciklusa. Što je veći postotak U-235 u jezgri na početku ciklusa, to će više dana rada punom snagom omogućiti rad reaktora.

Na kraju radnog ciklusa, gorivo u nekim sklopovima se "razrađuje", istovara i zamjenjuje u obliku novih (svježih) gorivnih sklopova. Također, ova reakcija nakupljanja produkata raspada u nuklearnom gorivu određuje životni vijek nuklearnog goriva u reaktoru. Čak i mnogo prije nego što se dogodi konačni proces fisije goriva, dugotrajni nusproizvodi raspada koji apsorbiraju neutrone nakupili su se u reaktoru, sprječavajući nastanak lančane reakcije. Udio jezgre reaktora koji se mijenja tijekom punjenja reaktora gorivom obično je jedna četvrtina za reaktor s kipućom vodom i jedna trećina za reaktor s vodom pod tlakom. Zbrinjavanje i skladištenje ovog istrošenog goriva jedan je od najtežih zadataka u organizaciji rada industrijske nuklearne elektrane. Takav nuklearni otpad je izuzetno radioaktivan i njegova toksičnost predstavlja rizik tisućama godina.

Ne moraju se svi reaktori isključiti iz upotrebe radi punjenja gorivom; na primjer, nuklearni reaktori s kuglastim gorivim jezgrama, RBMK reaktori, reaktori s rastaljenom soli, Magnox, AGR i CANDU reaktori omogućuju pomicanje gorivih elemenata tijekom rada postrojenja. U CANDU reaktoru moguće je postaviti pojedinačne gorive elemente u jezgru na način da se prilagodi sadržaj U-235 u gorivnom elementu.

Količina energije ekstrahirane iz nuklearnog goriva naziva se njegovo izgaranje, što se izražava toplinskom energijom koju proizvodi izvorna jedinična težina goriva. Izgaranje se obično izražava u terminima toplinskih megavat dana po toni osnovnog teškog metala.

Sigurnost nuklearne energije

Nuklearna sigurnost predstavlja djelovanje usmjereno na sprječavanje nuklearnih i radijacijskih nesreća ili lokaliziranje njihovih posljedica. Nuklearna energija je poboljšala sigurnost i performanse reaktora, a također je uvela nove, sigurnije dizajne reaktora (koji općenito nisu testirani). Međutim, nema jamstva da će takvi reaktori biti projektirani, izgrađeni i da će moći pouzdano raditi. Pogreške su se dogodile kada dizajneri reaktora u nuklearnoj elektrani Fukushima u Japanu nisu očekivali da će tsunami izazvan potresom ugasiti pomoćni sustav koji je trebao stabilizirati reaktor nakon potresa, unatoč brojnim upozorenjima NRG-a (nacionalnog istraživačkog skupina) i japanske uprave za nuklearnu sigurnost. Prema UBS AG, nuklearna nesreća u Fukushimi I dovodi u pitanje mogu li čak i napredne ekonomije poput Japana osigurati nuklearnu sigurnost. Mogući su i katastrofalni scenariji, uključujući terorističke napade. Interdisciplinarni tim s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) procjenjuje da se s obzirom na očekivani rast nuklearne energije između 2005. i 2055. godine mogu očekivati ​​najmanje četiri ozbiljne nuklearne nesreće.

Nuklearne i radijacijske nesreće

Dogodile su se ozbiljne nuklearne i radijacijske nesreće. Nesreće nuklearnih elektrana uključuju incident SL-1 (1961.), nesreću na Otoku tri milje (1979.), katastrofu u Černobilu (1986.) i nuklearnu katastrofu u Fukushimi Daiichi (2011.). Nesreće na brodovima s nuklearnim pogonom uključuju nesreće reaktora na K-19 (1961.), K-27 (1968.) i K-431 (1985.).

Nuklearni reaktori lansirani su u orbitu oko Zemlje najmanje 34 puta. Niz incidenata koji su uključivali sovjetski bespilotni satelit RORSAT na nuklearni pogon rezultirao je ispuštanjem istrošenog nuklearnog goriva u Zemljinu atmosferu iz orbite.

Prirodni nuklearni reaktori

Iako se često misli da su fisijski reaktori proizvod moderne tehnologije, prvi nuklearni reaktori pronađeni su u prirodni uvjeti. Prirodni nuklearni reaktor može se formirati pod određenim uvjetima koji oponašaju one u izgrađenom reaktoru. Do danas je otkriveno do petnaest prirodnih nuklearnih reaktora unutar tri odvojena nalazišta rude Rudnik urana Oklo u Gabonu (Zapadna Afrika). Prvi je otkrio dobro poznate "mrtve" reaktore Okllo 1972 francuski fizičar Franjo Perrin. Reakcija samoodržive nuklearne fisije dogodila se u ovim reaktorima prije približno 1,5 milijardi godina i održavala se nekoliko stotina tisuća godina, proizvodeći prosječno 100 kW izlazne snage tijekom tog razdoblja. Koncept prirodnog nuklearnog reaktora teorijski je objasnio još 1956. godine Paul Kuroda sa Sveučilišta u Arkansasu.

Takvi se reaktori više ne mogu formirati na Zemlji: radioaktivni raspad tijekom ovog ogromnog vremenskog razdoblja smanjio je udio U-235 u prirodnom uranu ispod razine potrebne za održavanje lančane reakcije.

Prirodni nuklearni reaktori nastali su kada su se naslage minerala bogatog urana počele puniti podzemne vode, koji je djelovao kao moderator neutrona i početak značajne lančane reakcije. Moderator neutrona, u obliku vode, ispario je, uzrokujući ubrzanje reakcije, a zatim se kondenzirao natrag, uzrokujući usporavanje nuklearne reakcije i spriječeno taljenje. Reakcija fisije trajala je stotinama tisuća godina.

Takve prirodne reaktore opsežno su proučavali znanstvenici zainteresirani za odlaganje radioaktivnog otpada u geološkom okruženju. Oni predlažu studiju slučaja o tome kako bi radioaktivni izotopi migrirali kroz sloj Zemljine kore. Ovo je ključna točka za kritičare geološkog odlaganja otpada, koji se boje da bi izotopi sadržani u otpadu mogli završiti u zalihama vode ili migrirati u okoliš.

Ekološki problemi nuklearne energije

Nuklearni reaktor ispušta male količine tricija, Sr-90, u zrak i podzemne vode. Voda onečišćena tricijem je bez boje i mirisa. Velike doze Sr-90 povećavaju rizik od raka kostiju i leukemije kod životinja, a vjerojatno i kod ljudi.

Izgrađen ispod zapadne tribine nogometnog igrališta Sveučilišta u Chicagu i uključen 2. prosinca 1942., Chicago Pile-1 (CP-1) bio je prvi nuklearni reaktor na svijetu. Sastojao se od blokova grafita i urana, a imao je i kontrolne šipke od kadmija, indija i srebra, ali nije imao zaštitu od zračenja niti sustav hlađenja. Znanstveni direktor projekta, fizičar Enrico Fermi, opisao je CP-1 kao "vlažnu hrpu crnih cigli i drvenih balvana".

Radovi na reaktoru započeli su 16. studenog 1942. godine. Obavljen je težak posao. Fizičari i sveučilišno osoblje radili su danonoćno. Izgradili su rešetku od 57 slojeva uranovog oksida i uranovih ingota ugrađenih u grafitne blokove. Drveni okvir podupirao je konstrukciju. Fermijeva štićenica, Leona Woods - jedina žena na projektu - pažljivo je mjerila dok je hrpa rasla.

2. prosinca 1942. reaktor je bio spreman za testiranje. Sadržao je 22.000 ingota urana i koristio 380 tona grafita, kao i 40 tona uranovog oksida i šest tona metalnog urana. Za izgradnju reaktora bilo je potrebno 2,7 milijuna dolara. Eksperiment je započeo u 09:45. Na njemu je sudjelovalo 49 ljudi: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, mladi stolar koji je izrađivao grafitne blokove i kadmijeve šipke, liječnici, obični studenti i drugi znanstvenici.

Troje ljudi činilo je “odred samoubojica” – bili su dio sigurnosnog sustava. Njihov je posao bio ugasiti vatru ako nešto pođe po zlu. Postojala je i kontrola: kontrolne šipke kojima se upravljalo ručno i šipka za slučaj opasnosti koja je bila vezana za ogradu balkona iznad reaktora. U slučaju nužde, uže je morala prerezati osoba koja je posebno dežurala na balkonu i šipka bi ugasila reakciju.

U 15:53 ​​po prvi put u povijesti započela je samoodrživa nuklearna lančana reakcija. Eksperiment je bio uspješan. Reaktor je radio 28 minuta.

Nuklearni reaktori imaju jedan zadatak: cijepati atome u kontroliranoj reakciji i koristiti oslobođenu energiju za proizvodnju električne energije. Dugi niz godina na reaktore se gledalo i kao na čudo i kao na prijetnju.

Kada je prvi komercijalni američki reaktor pušten u rad u Shippingportu, Pennsylvania, 1956., tehnologija je hvaljena kao izvor energije budućnosti, a neki su vjerovali da će reaktori proizvodnju električne energije učiniti previše jeftinom. Trenutno su u svijetu izgrađena 442. nuklearni reaktor, otprilike četvrtina tih reaktora nalazi se u Sjedinjenim Državama. Svijet je postao ovisan o nuklearnim reaktorima koji proizvode 14 posto električne energije. Futuristi su čak maštali o nuklearnim automobilima.

Kada je reaktor jedinice 2 u elektrani Three Mile Island u Pennsylvaniji doživio kvar na sustavu hlađenja i djelomično topljenje radioaktivnog goriva 1979. godine, topli osjećaji o reaktorima radikalno su se promijenili. Iako je uništeni reaktor bio zatvoren i nije emitirano ozbiljno zračenje, mnogi su ljudi počeli gledati na reaktore kao na presložene i ranjive, s potencijalno katastrofalnim posljedicama. Ljudi su također bili zabrinuti zbog radioaktivnog otpada iz reaktora. Zbog toga je izgradnja novih nuklearnih elektrana u Sjedinjenim Državama zaustavljena. Kada se 1986. dogodila ozbiljnija nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil u Sovjetskom Savezu, činilo se da je nuklearna energija osuđena na propast.

Ali u ranim 2000-ima, nuklearni reaktori počeli su se vraćati, zahvaljujući sve većoj potražnji za energijom i sve manjim zalihama fosilnih goriva, kao i sve većoj zabrinutosti zbog klimatskih promjena koje proizlaze iz emisije ugljičnog dioksida.

No, u ožujku 2011. dogodila se još jedna kriza - ovoga puta nuklearna elektrana Fukushima 1 u Japanu teško je oštećena u potresu.

Korištenje nuklearne reakcije

Jednostavno rečeno, nuklearni reaktor razdvaja atome i oslobađa energiju koja njihove dijelove drži zajedno.

Ako ste zaboravili fiziku Srednja škola, podsjetit ćemo vas kako nuklearna fizija djela. Atomi su kao sićušni solarni sustavi, s jezgrom poput Sunca i elektronima poput planeta u orbiti oko njega. Jezgra se sastoji od čestica koje se nazivaju protoni i neutroni, a koje su međusobno povezane. Sila koja veže elemente jezgre teško je i zamisliti. Ona je mnogo milijardi puta jača od sile gravitacije. Unatoč toj golemoj sili, moguće je razdvojiti jezgru—ispaljivanjem neutrona na nju. Kada se to učini, oslobodit će se mnogo energije. Kada se atomi raspadaju, njihove se čestice sudaraju s obližnjim atomima, cijepajući ih, a oni su sljedeći, i sljedeći, i sljedeći. Postoji tzv lančana reakcija.

Uran, element s velikim atomima, idealan je za proces fisije jer je sila koja veže čestice njegove jezgre relativno slaba u usporedbi s drugim elementima. Nuklearni reaktori koriste određeni izotop tzv Utrčao-235 . Uran-235 je rijedak u prirodi, a ruda iz rudnika urana sadrži samo oko 0,7% urana-235. Zbog toga se koriste reaktori obogaćenUrane, koji nastaje odvajanjem i koncentriranjem urana-235 kroz proces plinske difuzije.

Proces lančane reakcije može se stvoriti u atomska bomba, slične onima bačenim na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki tijekom Drugog svjetskog rata. Ali u nuklearnom reaktoru, lančana reakcija se kontrolira umetanjem kontrolnih šipki napravljenih od materijala kao što su kadmij, hafnij ili bor koji apsorbiraju neke od neutrona. To i dalje omogućuje procesu fisije da oslobodi dovoljno energije da zagrije vodu na oko 270 stupnjeva Celzijevih i pretvori je u paru, koja se koristi za okretanje turbina elektrane i proizvodnju električne energije. Uglavnom, u ovom slučaju, kontrolirana nuklearna bomba radi umjesto ugljena i stvara električnu energiju, osim što energija za kuhanje vode dolazi od cijepanja atoma umjesto izgaranja ugljika.

Komponente nuklearnog reaktora

Postoji nekoliko različitih tipova nuklearnih reaktora, ali svi imaju nešto Opće karakteristike. Svi oni imaju zalihu radioaktivnih gorivnih kuglica - obično uranovog oksida - koji su raspoređeni u cijevima kako bi formirali gorive šipke u aktivne zoneereaktor.

Reaktor također ima prethodno navedeno menadžerieštapI- napravljen od materijala koji apsorbira neutrone kao što je kadmij, hafnij ili bor, koji se umeće da kontrolira ili zaustavi reakciju.

Reaktor također ima moderator, tvar koja usporava neutrone i pomaže u kontroli procesa fisije. Većina reaktora u Sjedinjenim Državama koristi običnu vodu, ali reaktori u drugim zemljama ponekad koriste grafit, ili težakvauvodana, u kojem je vodik zamijenjen deuterijem, izotopom vodika s jednim protonom i jednim neutronom. Drugi važan dio sustava je hlađenjei jatekućinab, obično obična voda, koja apsorbira i prenosi toplinu iz reaktora kako bi stvorila paru koja vrti turbinu i hladi područje reaktora tako da ne dosegne temperaturu na kojoj će se uran rastopiti (oko 3815 stupnjeva Celzijusa).

Konačno, reaktor je zatvoren školjkena, velika, teška građevina, obično nekoliko metara debela, napravljena od čelika i betona koja zadržava radioaktivne plinove i tekućine unutra gdje nikome ne mogu naškoditi.

U upotrebi je više različitih dizajna reaktora, ali jedan od najčešćih je energetski reaktor s vodom pod tlakom (VVER). U takvom reaktoru voda dolazi u kontakt s jezgrom i zatim tamo ostaje pod takvim pritiskom da se ne može pretvoriti u paru. Ta voda zatim dolazi u kontakt s vodom bez tlaka u generatoru pare, koja se pretvara u paru, koja okreće turbine. Postoji i dizajn kanalni reaktor velike snage (RBMK) s jednim krugom vode i brzi neutronski reaktor s dva natrijeva i jednim vodenim krugom.

Koliko je siguran nuklearni reaktor?

Odgovor na ovo pitanje prilično je težak i ovisi o tome koga pitate i kako definirate "sigurno". Jeste li zabrinuti zbog radijacije ili radioaktivnog otpada koji nastaje u reaktorima? Ili ste više zabrinuti zbog mogućnosti katastrofalne nesreće? Koji stupanj rizika smatrate prihvatljivim kompromisom za dobrobiti nuklearne energije? A koliko vjerujete državi i nuklearnoj energiji?

"Zračenje" je jak argument, uglavnom zato što svi znamo da velike doze zračenja, poput one od nuklearne bombe, mogu ubiti mnogo tisuća ljudi.

Zagovornici nuklearne energije, međutim, ističu da smo svi redovito izloženi zračenju iz raznih izvora, uključujući kozmičke zrake i prirodno zračenje koje emitira Zemlja. Prosječna godišnja doza zračenja je oko 6,2 milisiverta (mSv), od čega polovica dolazi iz prirodnih izvora, a polovica iz izvora koje je stvorio čovjek, uključujući rendgenske snimke prsnog koša, detektore dima i svjetleće satove. Koliko zračenja dobivamo od nuklearnih reaktora? Samo mali djelić postotka naše tipične godišnje izloženosti je 0,0001 mSv.

Dok sve nuklearne elektrane neizbježno ispuštaju male količine zračenja, regulatorne komisije postavljaju operatere elektrana na stroge zahtjeve. Ne smiju izlagati ljude koji žive oko elektrane više od 1 mSv godišnje, a radnici u elektrani imaju prag od 50 mSv godišnje. To se može činiti puno, ali prema Nuklearnoj regulatornoj komisiji, nema medicinskih dokaza da godišnje doze zračenja ispod 100 mSv predstavljaju rizik za ljudsko zdravlje.

No važno je napomenuti da se ne slažu svi s ovom samozadovoljnom procjenom rizika od zračenja. Na primjer, Liječnici za društvenu odgovornost, dugogodišnji kritičar nuklearne industrije, proučavali su djecu koja žive u blizini njemačkih nuklearnih elektrana. Studija je pokazala da ljudi koji žive unutar 5 km od postrojenja imaju dvostruko veći rizik od zaraze leukemijom u usporedbi s onima koji žive dalje od nuklearnih elektrana.

Otpad nuklearnog reaktora

Nuklearnu energiju njezini zagovornici hvale kao "čistu" energiju jer reaktor ne ispušta velike količine stakleničkih plinova u atmosferu u usporedbi s elektranama na ugljen. Ali kritičari ukazuju na nešto drugo ekološki problem— odlaganje nuklearnog otpada. Dio istrošenog goriva iz reaktora još uvijek oslobađa radioaktivnost. Ostali nepotrebni materijal koji bi trebalo uštedjeti je radioaktivni otpad visoka razina , tekući ostatak od ponovne obrade istrošenog goriva, u kojem ostaje nešto urana. Trenutačno se većina tog otpada skladišti lokalno u nuklearnim elektranama u jezercima vode, koja apsorbiraju dio preostale topline proizvedene istrošenim gorivom i pomažu u zaštiti radnika od izloženosti zračenju.

Jedan od problema s istrošenim nuklearnim gorivom je taj što je ono izmijenjeno procesom fisije. Kada se veliki atomi urana cijepaju, stvaraju nusprodukte—radioaktivne izotope nekoliko lakih elemenata kao što su cezij-137 i stroncij-90, tzv. produkti fisije. Vruće su i visoko radioaktivne, ali se na kraju, u razdoblju od 30 godina, raspadaju u manje opasne oblike. Ovo razdoblje je pozvano za njih PrazdobljeohmPola zivota. Ostali radioaktivni elementi imat će različita vremena poluraspada. Osim toga, neki atomi urana također hvataju neutrone, tvoreći teže elemente kao što je plutonij. Ovi transuranijevi elementi ne stvaraju toliko topline ili prodornog zračenja kao produkti fisije, ali im je potrebno puno više vremena da se raspadnu. Plutonij-239, na primjer, ima poluživot od 24 000 godina.

ove radioaktivanegubljenjes visoka razina iz reaktora opasni su za ljude i druge oblike života jer mogu ispustiti ogromne, smrtonosna doza zračenje čak i od kratkog izlaganja. Deset godina nakon uklanjanja preostalog goriva iz reaktora, primjerice, emitiraju 200 puta više radioaktivnosti po satu nego što je potrebno da se ubije osoba. A ako otpad završi u podzemnim vodama ili rijekama, može završiti u hranidbeni lanac i dovesti veliki broj ljudi u opasnost.

Budući da je otpad toliko opasan, mnogi su ljudi u teškoj situaciji. 60.000 tona otpada nalazi se u nuklearnim elektranama u blizini veliki gradovi. Ali pronaći sigurno mjesto za skladištenje otpada nije lako.

Što može poći po zlu s nuklearnim reaktorom?

Dok se državni regulatori osvrću na svoje iskustvo, inženjeri su proveli mnogo vremena tijekom godina projektirajući reaktore za optimalnu sigurnost. Samo što se ne kvare, rade kako treba i imaju rezervne sigurnosne mjere ako nešto ne ide po planu. Kao rezultat toga, iz godine u godinu nuklearne elektrane se čine prilično sigurnima u usporedbi s, recimo, zračnim prometom, koji redovito ubija između 500 i 1100 ljudi godišnje diljem svijeta.

Međutim, nuklearni reaktori trpe velike kvarove. Na Međunarodnoj ljestvici nuklearnih događaja, koja ocjenjuje nesreće reaktora od 1 do 7, od 1957. bilo je pet nesreća koje su ocijenjene ocjenom od 5 do 7.

Najgora noćna mora je kvar sustava hlađenja, što dovodi do pregrijavanja goriva. Gorivo se pretvara u tekućinu, a zatim izgara kroz spremnik, oslobađajući radioaktivno zračenje. 1979. Jedinica 2 nuklearne elektrane Three Mile Island (SAD) bila je na rubu ovog scenarija. Srećom, dobro osmišljen sustav zadržavanja bio je dovoljno jak da spriječi izlazak radijacije.

SSSR je bio manje sreće. Teška nuklearna nesreća dogodilo se u travnju 1986. u 4. bloku nuklearne elektrane Černobil. To je uzrokovano kombinacijom kvarova sustava, nedostataka u dizajnu i loše obučenog osoblja. Tijekom rutinskog testa, reakcija se iznenada pojačala i kontrolne šipke su se zaglavile, spriječivši hitno isključivanje. Iznenadno nakupljanje pare izazvalo je dvije toplinske eksplozije, bacajući reaktorski grafitni moderator u zrak. U nedostatku bilo čega za hlađenje gorivnih šipki reaktora, one su se počele pregrijavati i potpuno kolabirati, zbog čega je gorivo poprimilo tekući oblik. Mnogi radnici stanice i likvidatori nesreće su umrli. Velika količina zračenja proširila se na površinu od 323.749 četvornih kilometara. Broj smrtnih slučajeva uzrokovanih zračenjem još uvijek nije jasan, ali Svjetska zdravstvena organizacija kaže da je ono moglo uzrokovati 9000 smrti od raka.

Proizvođači nuklearnih reaktora daju jamstva na temelju probabilistička procjenae, u kojem pokušavaju uravnotežiti potencijalnu štetu nekog događaja s vjerojatnošću s kojom se on stvarno dogodi. Ali neki kritičari kažu da bi se trebali pripremiti za rijetke, neočekivane, ali vrlo opasne događaje. Primjer za to je nesreća u nuklearnoj elektrani Fukushima 1 u Japanu u ožujku 2011. Postaja je navodno dizajnirana da izdrži snažan potres, ali ne tako katastrofalan kao potres magnitude 9,0 koji je poslao val tsunamija od 14 metara iznad nasipa dizajniranih da izdrže val od 5,4 metra. Nalet tsunamija uništio je rezervne dizelske generatore koji su bili namijenjeni za napajanje sustava hlađenja šest reaktora elektrane u slučaju nestanka struje. Dakle, čak i nakon što su upravljačke šipke reaktora u Fukushimi prestale fisirati, još uvijek vruće gorivo dopuštalo je temperature opasno se dizati unutar uništenih.reaktori.

Japanski dužnosnici pribjegli su posljednjem rješenju - preplavili su reaktore ogromnim količinama morska voda s dodatkom borne kiseline, koja je uspjela spriječiti katastrofu, ali je uništila opremu reaktora. Na kraju su Japanci uz pomoć vatrogasnih vozila i teglenica uspjeli upumpavati svježu vodu u reaktore. Ali do tada je praćenje već pokazalo alarmantne razine radijacije okolno zemljište i vodu. U jednom selu 40 km od elektrane pronađen je radioaktivni element Cezij-137 u razinama mnogo višim nego nakon katastrofe u Černobilu, što izaziva sumnju u mogućnost ljudskog boravka na tom području.