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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Reactor nuclear de neutrones rápidos. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. La primera central nuclear (NPP) del mundo, construida en la ciudad de Obninsk, cerca de Moscú, entró en funcionamiento en junio de 1954. Su potencia era muy modesta: 5 MW. Sin embargo, desempeñó el papel de una instalación experimental, donde se acumuló experiencia en la operación de futuras grandes centrales nucleares. Por primera vez se comprobó la posibilidad de generar energía eléctrica a partir de la fisión de núcleos de uranio, y no de la quema de combustibles fósiles ni de la energía hidráulica.
Las centrales nucleares utilizan núcleos de elementos pesados: uranio y plutonio. Durante la fisión nuclear, se libera energía: "funciona" en las centrales nucleares. Pero solo puede usar núcleos que tengan una cierta masa: los núcleos de isótopos. Los núcleos atómicos de los isótopos contienen el mismo número de protones y diferente número de neutrones, por lo que los núcleos de diferentes isótopos de un mismo elemento tienen masas diferentes. El uranio, por ejemplo, tiene 15 isótopos, pero solo el uranio-235 está involucrado en las reacciones nucleares. La reacción de fisión procede de la siguiente manera. El núcleo de uranio se desintegra espontáneamente en varios fragmentos; entre ellos hay partículas de alta energía - neutrones. En promedio, hay 10 neutrones por cada 25 decaimientos. Golpean los núcleos de los átomos vecinos y los rompen, liberando neutrones y una gran cantidad de calor. La fisión de un gramo de uranio libera tanto calor como la combustión de tres toneladas de carbón. El espacio del reactor donde se encuentra el combustible nuclear se denomina núcleo. Aquí se produce la fisión de núcleos atómicos de uranio y se libera energía térmica. Para proteger al personal operativo de la radiación dañina que acompaña a la reacción en cadena, las paredes del reactor se hacen lo suficientemente gruesas. La velocidad de una reacción nuclear en cadena está controlada por barras de control hechas de una sustancia que absorbe neutrones (la mayoría de las veces es boro o cadmio). Cuanto más profundas se sumergen las varillas en el núcleo, más neutrones absorben, menos neutrones participan en la reacción y menos calor se libera. Por el contrario, cuando las barras de control se levantan del núcleo, aumenta el número de neutrones involucrados en la reacción, un número creciente de átomos de uranio se fisionan, liberando la energía térmica escondida en ellos. En caso de que el núcleo se sobrecaliente, se proporciona una parada de emergencia del reactor nuclear. Las barras de emergencia caen rápidamente en el núcleo, absorben intensamente los neutrones, la reacción en cadena se ralentiza o se detiene. El calor se elimina de un reactor nuclear utilizando un refrigerante líquido o gaseoso, que se bombea a través del núcleo mediante bombas. El portador de calor puede ser agua, sodio metálico o sustancias gaseosas. Toma calor del combustible nuclear y lo transfiere al intercambiador de calor. Este sistema cerrado con refrigerante se denomina circuito primario. En el intercambiador de calor, el calor del circuito primario calienta el agua del circuito secundario hasta que hierve. El vapor resultante se envía a una turbina o se utiliza para calentar edificios industriales y residenciales.
Antes de la catástrofe en la planta de energía nuclear de Chernobyl, los científicos soviéticos dijeron con confianza que en los próximos años dos tipos principales de reactores serían ampliamente utilizados en la industria de la energía nuclear. Uno de ellos, VVER, es un reactor de potencia refrigerado por agua, y el otro, RBMK, es un reactor de canal de alta potencia. Ambos tipos están relacionados con los reactores de neutrones lentos (térmicos). En un reactor de agua a presión, la zona activa está encerrada en una enorme caja cilíndrica de acero de 4 metros de diámetro y 15 metros de altura con paredes gruesas y una tapa maciza. En el interior de la caja, la presión alcanza las 160 atmósferas. El refrigerante que elimina el calor en la zona de reacción es agua, que es bombeada por medio de bombas. La misma agua también sirve como moderador de neutrones. En el generador de vapor, calienta y convierte el agua secundaria en vapor. El vapor entra en la turbina y la hace girar. Tanto el primer circuito como el segundo están cerrados. Una vez cada seis meses, el combustible nuclear quemado se reemplaza por uno nuevo, para lo cual el reactor debe detenerse y enfriarse. En Rusia, Novovoronezh, Kola y otras plantas de energía nuclear operan de acuerdo con este esquema. En RBMK, el grafito sirve como moderador y el agua es el refrigerante. El vapor para la turbina se produce directamente en el reactor y se devuelve allí después de ser utilizado en la turbina. El combustible del reactor se puede reponer gradualmente, sin detenerlo ni humedecerlo. La primera central nuclear de Obninsk del mundo pertenece a este tipo. Las estaciones de alta potencia de Leningrado, Chernobyl, Kursk, Smolensk se construyeron de acuerdo con el mismo esquema. Uno de los graves problemas de las centrales nucleares es la eliminación de los residuos nucleares. En Francia, por ejemplo, esto lo hace una gran empresa, Cogema. El combustible que contiene uranio y plutonio, con sumo cuidado, en contenedores de transporte especiales, sellados y enfriados, se envía para su procesamiento y los desechos, para vitrificación y entierro. "Nos mostraron las etapas individuales del procesamiento del combustible traído de las centrales nucleares con el mayor cuidado”, escribe I. Lagovsky en la revista Science and Life. "Descargadores, una cámara de descarga. Se puede mirar a través de la ventana. El grosor del vidrio en la ventana es de 1 metro 20 centímetros "Un manipulador en la ventana. Limpieza inimaginable alrededor. Overol blanco. Luz tenue, palmeras y rosas artificiales. Un invernadero con plantas reales para relajarse después del trabajo en la zona. Gabinetes con control equipos del OIEA - la agencia internacional de energía atómica. La sala del operador - dos semicírculos con pantallas ", - desde aquí controlan la descarga, el corte, la disolución, la vitrificación. Todas las operaciones, todos los movimientos del contenedor se reflejan secuencialmente en las pantallas del Los propios pasillos de trabajo con materiales de alta actividad están bastante alejados, al otro lado de la calle. Los residuos vitrificados son de pequeño volumen. Se encierran en contenedores de acero y se almacenan en pozos ventilados hasta que son llevados al sitio de entierro final... Los contenedores en sí son una obra de arte de ingeniería, cuyo propósito era construir algo que no se puede destruir. Las plataformas ferroviarias cargadas con contenedores se descarrilaron, los trenes que se aproximaban los embistieron a toda velocidad y se arreglaron otros accidentes concebibles e impensables durante el transporte: los contenedores resistieron todo. Después del desastre de Chernobyl en 1986, los científicos comenzaron a dudar de la seguridad de las centrales nucleares y, en particular, de los reactores de tipo RBMK. El tipo VVER es más próspero en este sentido: el accidente en la estación estadounidense Three Mile Island en 1979, donde el núcleo del reactor se fundió parcialmente, la radiactividad no pasó más allá de la vasija. El largo funcionamiento sin problemas de las centrales nucleares japonesas habla a favor de VVER. Y, sin embargo, hay una dirección más que, según los científicos, puede proporcionar a la humanidad calor y luz para el próximo milenio. Esto se refiere a los reactores de neutrones rápidos o reactores reproductores. Usan uranio-238, pero no como energía, sino como combustible. Este isótopo absorbe bien los neutrones rápidos y se convierte en otro elemento: el plutonio-239. Los reactores de neutrones rápidos son muy compactos: no necesitan moderadores ni absorbentes; su papel lo desempeña el uranio-238. Se llaman reactores reproductores o reproductores (de la palabra inglesa "breed" - multiplicar). La reproducción del combustible nuclear permite utilizar el uranio decenas de veces más plenamente, por lo que los reactores de neutrones rápidos se consideran una de las áreas prometedoras de la energía nuclear. En reactores de este tipo, además de calor, también se produce combustible nuclear secundario, que puede ser utilizado en el futuro. Aquí, ni en el primero ni en el segundo circuito hay alta presión. El refrigerante es sodio líquido. Circula por el circuito primario, se calienta y cede calor al sodio del segundo circuito, que a su vez calienta el agua del circuito vapor-agua convirtiéndola en vapor. Los intercambiadores de calor están aislados del reactor. Una de estas estaciones prometedoras, que recibió el nombre de Monju, se construyó en la región de Shiraki, en la costa del Mar de Japón, en una zona turística a cuatrocientos kilómetros al oeste de la capital. "Para Japón", dice K. Takenouchi, Jefe del Departamento de la Corporación Nuclear de Kansai, "el uso de reactores reproductores significa la capacidad de reducir la dependencia del uranio natural importado mediante el uso repetido de plutonio. Por lo tanto, nuestro deseo de desarrollar y Es comprensible mejorar los “reactores rápidos” y alcanzar un nivel técnico capaz de competir con las centrales nucleares modernas en términos de eficiencia y seguridad. El desarrollo de reactores reproductores debería ser el principal programa de generación de energía en un futuro próximo". La construcción del reactor Monju ya es la segunda etapa en el desarrollo de reactores de neutrones rápidos en Japón. El primero fue el diseño y construcción del reactor experimental Joyo (en japonés, "luz eterna") de 50-100 MW, que comenzó a operar en 1978. Investigó el comportamiento del combustible, nuevos materiales estructurales, componentes. El proyecto Monju comenzó en 1968. En octubre de 1985, comenzaron a construir una estación, para cavar un pozo de cimentación. Durante el desarrollo del sitio se arrojaron al mar 2 millones 300 mil metros cúbicos de roca. La potencia térmica del reactor es de 714 MW. El combustible es una mezcla de plutonio y óxidos de uranio. La zona activa tiene 19 barras de control, 198 bloques de combustible, cada uno de los cuales tiene 169 barras de combustible (elementos combustibles - TVEL) con un diámetro de 6,5 milímetros. Están rodeados por unidades productoras de combustible radiales (172 unidades) y unidades de escudo de neutrones (316 unidades). Todo el reactor está ensamblado como un muñeco de anidación, solo que ya no es posible desmontarlo. La enorme vasija del reactor, hecha de acero inoxidable (diámetro - 7,1 metros, altura - 17,8 metros), se coloca en una cubierta protectora en caso de que se derrame sodio durante un accidente. "Las estructuras de acero de la cámara del reactor", informa A. Lagovsky en la revista Science and Life, "las carcasas y los bloques de las paredes están rellenos de hormigón como protección. Los sistemas primarios de refrigeración por sodio, junto con la vasija del reactor, están rodeados por un caparazón de emergencia con refuerzos - su diámetro interior es de 49,5 metros de alto y 79,4 metros de altura. El fondo elipsoidal de este bulto descansa sobre una plataforma sólida de hormigón de 13,5 metros de alto.El caparazón está rodeado por un espacio anular de un metro y medio, y luego sigue una gruesa capa (1-1,8 metros) de hormigón armado. La cúpula del caparazón también está protegida por una capa de hormigón armado de 0,5 metros de espesor. A continuación del caparazón antiemergencia, se dispone otro edificio de protección, uno auxiliar, de 100 por 115 metros, que cumple con los requisitos de construcción antisísmica. ¿Por qué no un sarcófago? Los sistemas secundarios de enfriamiento de sodio, los sistemas de agua y vapor, los dispositivos de carga y descarga de combustible y un tanque de almacenamiento para el combustible gastado están ubicados en la vasija del reactor auxiliar. En habitaciones separadas hay un turbogenerador y generadores diesel de reserva. La resistencia de la carcasa de emergencia está diseñada tanto para una sobrepresión de 0,5 atmósferas como para un vacío de 0,05 atmósferas. Se puede formar un vacío cuando el oxígeno se quema en el espacio anular si se derrama sodio líquido. Todas las superficies de concreto que puedan entrar en contacto con el derrame de sodio están completamente revestidas con láminas de acero lo suficientemente gruesas para soportar las tensiones térmicas. Así se protegen en caso de que eso no suceda, ya que debe haber garantía tanto para los oleoductos como para el resto de partes de una instalación nuclear. Autor: Musskiy S.A.
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