¿Qué es un reactor?

Dentro de los usos pacíficos de la energía atómica, la generación más típica es la energía atómica, también conocida como energía nuclear. Si la explosión de una bomba atómica es el resultado de una reacción en cadena de fisión nuclear instantánea e incontrolada de uranio-235 o plutonio-239, entonces la energía utilizada en una central atómica es la liberación controlada de uranio-235 o plutonio-239 para una reacción en cadena de fisión nuclear. Un dispositivo que puede controlar artificialmente la velocidad de las reacciones de fisión nuclear y mantener una cadena de reacciones de fisión nuclear se llama reactor. El reactor inventado por Fermi se utilizó para producir plutonio-239. Este tipo de reactor se denomina reactor de producción. El núcleo de la central de energía atómica es también el reactor, que utiliza el enorme calor generado por la reacción de fisión nuclear en el reactor para producir vapor saturado para impulsar la turbina de gas para generar electricidad. Este tipo de reactor se llama reactor de potencia. La única diferencia entre la generación de energía atómica y la generación de energía con carbón y petróleo es el dispositivo que genera calor. El primero es un reactor atómico y el segundo es una caldera de petróleo alimentada con carbón.

Existen muchos tipos de reactores, pero se componen principalmente de área activa, capa reflectante, carcasa de presión exterior y capa protectora. La zona activa consta de combustible nuclear, moderador, refrigerante y barras de control. Entre los reactores utilizados en las centrales nucleares, los reactores de agua a presión son el tipo más competitivo (alrededor del 61%), los reactores de agua en ebullición representan una cierta proporción (alrededor del 24%) y los reactores de agua pesada se utilizan con menos frecuencia (alrededor del 5%). . Las principales características de un reactor de agua a presión son: 1) utilizar agua corriente, que es barata y ampliamente disponible, como moderador y refrigerante; 2) para mantener el agua de refrigeración a mayor temperatura en el líquido del reactor, el reactor funciona a baja presión; alta presión (presión de agua de aproximadamente 15,5 MPa), por lo que se denomina reactor de agua a presión 3) Dado que el agua en el reactor está en estado líquido, el vapor para impulsar el generador de turbina debe generarse fuera del reactor; a través de un generador de vapor. El agua de refrigeración del reactor, es decir, agua primaria, fluye hacia un lado del tubo de transferencia de calor del generador de vapor, transfiere calor al agua secundaria en el otro lado del tubo de transferencia de calor y se convierte en vapor (secundario). presión de vapor 6-7 MPa, temperatura del vapor 275-290 ℃). 4) Debido al uso de agua corriente como moderador y refrigerante, la sección transversal de absorción de neutrones térmicos es grande y el uranio natural no se puede utilizar como combustible nuclear. Se debe utilizar uranio enriquecido (el contenido de uranio-235 es del 2 al 4%). utilizado como combustible nuclear. Tanto los reactores de agua en ebullición como los reactores de agua a presión son reactores de agua ligera. Al igual que un reactor de agua a presión, también utiliza agua corriente como moderador y refrigerante. La diferencia es que el vapor (la presión es de aproximadamente 7 MPa) se genera en el reactor de agua en ebullición y ingresa directamente a la turbina de gas para generar electricidad. No se requiere ningún generador de vapor y no hay diferencia entre los circuitos primario y secundario. El sistema es particularmente simple y funciona a presiones más bajas que los reactores de agua a presión. Sin embargo, el vapor del reactor de agua en ebullición es radiactivo y se deben tomar medidas de protección para evitar fugas radiactivas. Los reactores de agua pesada utilizan agua pesada como moderador y refrigerante. Dado que su sección transversal de absorción de neutrones térmicos es mucho menor que la del agua ordinaria, el uranio natural se puede utilizar como combustible nuclear en los reactores de agua pesada. Los llamados neutrones térmicos se refieren a neutrones cuya velocidad se reduce a 2200 m/s y cuya energía es de aproximadamente 1/40 eV cuando los neutrones rápidos emitidos por los átomos de uranio-235 se fisionan. La probabilidad de que los neutrones térmicos provoquen la fisión nuclear de uranio-235 es 190 veces mayor que la probabilidad de ser capturados por un núcleo de uranio-238. De esta manera, la reacción en cadena de la fisión nuclear puede continuar en un reactor de agua pesada alimentado con uranio natural. Dado que el agua pesada es menos eficaz para moderar neutrones que el agua ordinaria, el núcleo de un reactor de agua pesada es mucho más grande que el de un reactor de agua ligera, lo que dificulta la fabricación de recipientes a presión. Los reactores de agua pesada todavía necesitan estar equipados con generadores de vapor. El agua pesada del circuito primario lleva calor al generador de vapor, que se transfiere al agua ordinaria del circuito secundario para generar vapor. La mayor ventaja de los reactores de agua pesada es que utilizan uranio natural en lugar de uranio enriquecido como combustible nuclear. Sin embargo, una razón importante que obstaculiza su desarrollo es que es difícil obtener agua pesada porque sólo representa 1/6500 del agua natural.

La antigua Unión Soviética construyó la primera central atómica del mundo en 1954, abriendo una nueva página para el uso pacífico de la energía atómica por parte de la humanidad. El Reino Unido y los Estados Unidos construyeron centrales nucleares en 1956 y 1959 respectivamente. Al 28 de septiembre de 2004, había 439 reactores nucleares para generación de energía en 31 países y regiones del mundo, con una capacidad total de 364,6 millones de kilovatios, lo que representa el 16% de la capacidad total de generación de energía del mundo. Entre ellos, Francia ha construido 59 reactores nucleares para la generación de energía, y la generación de energía nuclear representa el 78% de su generación total de energía; Japón ha construido 54, y la generación de energía atómica representa el 25% de su generación total de energía; ha construido 104, y la generación de energía atómica representa el 25% de su generación de energía total. Rusia ha construido 29 edificios, y la generación de energía atómica representó el 15% de su generación de energía total; generación. China construyó su primera central nuclear en 1991, incluida ésta, y ahora tiene nueve reactores nucleares en funcionamiento con una capacidad total de 6,6 millones de kilovatios.

China está construyendo dos reactores más. China también construyó una central nuclear para Pakistán.

Las principales ventajas de la generación de energía atómica sobre la generación de energía convencional son: 1) Alta concentración de energía, bajos costos de combustible y buenos beneficios económicos generales. Un kilogramo de uranio-235 o plutonio-239 proporciona el equivalente teórico de 2.300 toneladas de carbón de antracita. En las aplicaciones prácticas actuales, 1 kilogramo de uranio natural puede sustituir entre 20 y 30 toneladas de carbón. Aunque la inversión única en infraestructura para la generación de energía atómica es grande, el costo del combustible nuclear es mucho más barato que el del carbón y el petróleo. Por tanto, el coste total de la generación de energía atómica ya es menor que el de la generación de energía convencional. 2) Debido a la pequeña cantidad de combustible requerido, no está sujeto a restricciones de transporte y almacenamiento. Por ejemplo, una central eléctrica convencional de más de 654,38 millones de kilovatios necesita quemar 3 millones de toneladas de carbón al año, y una media de 10.000 toneladas de carbón al día. Utilizar la energía atómica para generar electricidad requiere sólo 30 toneladas de combustible nuclear al año. 3) Contaminación lumínica al medio ambiente. La generación de energía atómica no emite gases nocivos y partículas sólidas como CO, SO2 y NOX, ni emite dióxido de carbono que produce el efecto invernadero. Las plantas de energía atómica emiten muy pocos gases residuales radiactivos y desechos líquidos todos los días, y la dosis de radiación que reciben los residentes de los alrededores es menos del 1% de la radiación natural. La probabilidad de que un accidente grave libere grandes cantidades de material radiactivo es extremadamente baja. En los 10.000 años de historia del funcionamiento del reactor en el mundo sólo ha habido un accidente fuera del emplazamiento de Chernóbil. La causa del accidente fue el funcionamiento ilegal del operador y los defectos de diseño del propio reactor (falta de las barreras de seguridad necesarias). Es posible que haya oído hablar del accidente en la planta de energía nuclear de Three Mile Island en Estados Unidos, que fue causado por negligencia humana y fallas en el equipo. Debido a que el reactor tenía varias barreras de seguridad, nadie murió en el accidente, y la dosis de radiación promedio para 2 millones de personas en un radio de 80 kilómetros fue menor que la dosis de radiación de usar un reloj con luz nocturna durante un año.

Algunas personas se preguntarán: ¿explotará el reactor como una bomba atómica? Hay al menos tres razones para esto: 1) Más del 90% del combustible nuclear utilizado en las bombas atómicas es uranio-235 fisionable, mientras que sólo entre el 2 y el 4% del combustible nuclear utilizado en los reactores de generación de energía es uranio-235 fisionable; 2) El reactor está equipado con materiales que absorben fácilmente los neutrones. La barra de control fabricada controla la velocidad de la reacción de fisión nuclear ajustando la posición de la barra de control. 3) El refrigerante saca continuamente el enorme calor generado por la reacción de fisión en el; núcleo del reactor, controlando así la temperatura dentro del reactor dentro del rango requerido.

Algunas personas también podrían preguntarse, ¿por qué algunos países no transfieren fácilmente la tecnología de generación de energía atómica? Esto se debe a que cuando el reactor se utiliza para generar electricidad, también se produce una cierta cantidad de plutonio-239 en el reactor (además de la mayoría de los neutrones que bombardean el núcleo de uranio-235 para fisionarlo, todavía quedan algunos neutrones que son capturados). por el núcleo de uranio-238 o se convierte en plutonio-239). Más del 50% del plutonio-239 producido en el reactor es bombardeado por neutrones y fisionado, liberando energía y generando combustible nuclear; menos del 50% del plutonio-239 restante permanece en el reactor. ), tras el reprocesamiento, el plutonio-239 puede extraerse y utilizarse para fabricar bombas atómicas. Los reactores de agua pesada producen aproximadamente el doble de plutonio-239 que los reactores de agua a presión.

Potencia de propulsión

El calor generado por el reactor se lleva al generador de vapor, y el vapor saturado generado por el generador de vapor impulsa la turbina de vapor para proporcionar energía de propulsión. Los submarinos nucleares, los portaaviones de propulsión nuclear y los rompehielos atómicos que conocemos están propulsados ​​por energía atómica.

Debido a las incomparables ventajas de los submarinos convencionales, los submarinos nucleares se han convertido en los principales acorazados de la marina moderna. Las principales ventajas de los submarinos nucleares son: 1) Gran resistencia. La resistencia se refiere a la distancia que un combustible puede recorrer de forma continua. Para los submarinos nucleares, la resistencia bajo el agua puede alcanzar 75.000 millas náuticas; mientras que la resistencia bajo el agua de los submarinos convencionales es de sólo 100 a 400 millas náuticas (en relación con la velocidad), porque son propulsados ​​bajo el agua mediante baterías y necesitan flotar de vez en cuando. Sal del agua o flota hasta la profundidad del snorkel y utiliza el grupo electrógeno diésel para cargar la batería. 2) Alta velocidad. La velocidad bajo el agua de los submarinos nucleares puede alcanzar más de 30 nudos (1 nudo es 1 nudo) y, a menudo, navegan a la velocidad máxima, mientras que la velocidad máxima bajo el agua de los submarinos convencionales es de 15 a 20 nudos, pero debido a las limitaciones de la batería; Generalmente no navegamos a la máxima velocidad. 3) Buen rendimiento de ocultación. Los submarinos nucleares permanecen bajo el agua durante unas 2.500 horas, mientras que los submarinos convencionales sólo permanecen bajo el agua durante 10 a 20 horas. En el mundo se han construido unos 500 submarinos nucleares equipados con casi 700 reactores, superando el número total de reactores construidos para la generación de energía nuclear. En 1971, China construyó su primer submarino nuclear y realizó con éxito una prueba en el mar. Del 65438 al 0988, China completó con éxito una prueba de lanzamiento de un misil balístico desde un submarino nuclear submarino.

Los portaaviones de propulsión nuclear también tienen la ventaja de su resistencia a alta velocidad.

Puede mantener una velocidad de más de 30 nudos durante mucho tiempo sin preocuparse por el consumo de combustible. No sólo no requiere reabastecimiento de combustible de la flota, sino que también transporta el doble de combustible y armas de aviación que los portaaviones convencionales de la misma clase. Su autonomía es de 654,38+0 millones de millas náuticas. El primer portaaviones de propulsión nuclear del mundo fue construido por Estados Unidos en 1960. Rusia y Francia también tienen portaaviones de propulsión nuclear.

El primer rompehielos atómico del mundo fue construido por la antigua Unión Soviética en 1959. En comparación con los rompehielos de potencia convencionales, tiene ventajas sobresalientes: 1) Dado que no es necesario reservar una gran cantidad de combustible, la capacidad de carga del barco no se reducirá debido al consumo de combustible y la capacidad de romper el hielo permanece sin cambios; la potencia puede alcanzar los 75.000 caballos de fuerza, que pueden navegar en la región ártica donde el espesor del hielo es de 2,0 a 2,5 metros; mientras que la potencia del eje de los rompehielos convencionales es de aproximadamente 25.000 caballos de fuerza, generalmente solo pueden navegar en lugares donde el espesor del hielo es de 0,7 a 0,9 metros. metros; 3) La resistencia no está limitada.

Calefacción

El uso de la energía generada por el reactor para calentamiento directo tiene un mercado muy amplio. Por ejemplo, la construcción de un reactor de calefacción de baja temperatura de 200.000 kilovatios consume sólo 1 tonelada de dióxido de uranio al año y puede calentar 5 millones de metros cuadrados de edificios. Una caldera para calentar la misma superficie del edificio necesita quemar 300.000 toneladas de carbón cada año. En comparación con el período 15, el coste de la calefacción nuclear es más barato que el de la calefacción con carbón. La ex Unión Soviética, Canadá, Suecia y China han construido reactores de calefacción criogénica para regiones frías.

Un reactor nuclear se compone principalmente de las siguientes partes:

(1) Área de actividad. Aquí es donde se produce la reacción en cadena, con el combustible nuclear y los moderadores de neutrones. El combustible nuclear se refiere al material fisionable que crea una reacción en cadena. El reactor utiliza uranio natural, uranio enriquecido (que contiene más uranio 235 que uranio natural), plutonio y uranio 233. El moderador se utiliza para disminuir la velocidad de los neutrones, porque la velocidad de los neutrones liberados por fisión es muy alta, y los que fisionan fácilmente el uranio 235 son los neutrones (neutrones térmicos). Un moderador ideal es una sustancia que absorbe pocos o ningún neutrones. Por ejemplo, agua pesada (D2O, un compuesto de hidrógeno pesado y oxígeno), grafito, óxido de berilio, etc. El agua corriente también se puede utilizar como moderador del combustible de uranio enriquecido.

En la zona activa, el combustible nuclear generalmente se convierte en barras o bloques y se inserta en el moderador, y parte del combustible nuclear y el moderador se mezclan uniformemente.

(2) Capa reflectante de neutrones. Para evitar que los neutrones salgan volando del área activa y reducir la pérdida de neutrones, generalmente se utiliza grafito u óxido de berilio.

(3) Sistema de control y regulación. La reacción en cadena es muy rápida y puede producir 1.000 neutrones por segundo. Si no se controla, se liberará una enorme energía en un período de tiempo muy corto que hará que el uranio explote. Esta es la bomba atómica. Por lo tanto, el sistema de control y regulación es una parte clave del reactor, que se utiliza para controlar la velocidad de la reacción en cadena, ajustar la potencia del reactor y arrancar o detener el reactor.

El sistema de control se compone principalmente de barras de control hechas de cadmio o boro que absorben fuertemente los neutrones y un sistema de control automático correspondiente. Cuando la reacción es fuerte, las barras de control en el reactor se insertarán más profundamente, lo que aumentará los neutrones absorbidos y ralentizará la reacción en cadena; por el contrario, si las barras de control se sacan del área activa, la velocidad de reacción aumentará; acelerarse.

(4) Sistema de refrigeración. La mayor parte de la energía liberada por la fisión nuclear en el reactor se convierte en calor. La temperatura en el reactor es muy alta. Generalmente se utilizan agua corriente, agua pesada y acero metálico líquido como refrigerantes para transportar calor en el reactor, y luego el agua se convierte en vapor a alta presión y alta temperatura a través de un dispositivo de intercambio de calor para impulsar la turbina de vapor para generar electricidad. El refrigerante enfriado, por otro lado, es obligado a regresar al reactor para su uso posterior, donde fluye en un sistema de circulación cerrado.

(5) Capa protectora. Durante la fisión nuclear no sólo se liberan neutrones, sino que también se liberan una gran cantidad de rayos beta y rayos gamma de los productos de la fisión. Para evitar que estos rayos dañen el cuerpo humano, la capa exterior del reactor debe cubrirse con una gruesa capa protectora de hormigón.