Бір секунд – адам байқап та үлгермейтін қас-қағым сәт. Алайда жұмыс істеп тұрған ядролық реактордың ішінде осы уақыт аралығында атом ядроларының миллиардтаған миллиард бөлінуі жүзеге асады. Соның нәтижесінде орасан зор жылу бөлініп, ол электр энергиясын өндіруге мүмкіндік береді.
Тізбекті реакция қалай жүреді, оны бақылауда ұстауға не мүмкіндік береді және реактордың қауіпсіз жұмыс істеуін қандай жүйелер қамтамасыз етеді? Бұл туралы NUR.KZ материалынан оқыңыз.
Тізбекті реакцияның ауқымы
Атом реакторының жұмыс істеу негізінде уран ядроларының басқарылатын тізбекті бөліну реакциясы жатыр. Нейтрон уран-235 ядросына түскен кезде, ядро екі жеңіл ядроға бөлініп, энергия және әдетте 2–3 жаңа нейтрон бөлуі мүмкін. Бұл нейтрондар кейінгі бөліну реакцияларын тудырып, тізбекті реакцияның жалғасуын қамтамасыз етеді.
Бұл үдерістердің ауқымын елестету қиын. Мысалы, жылулық қуаты шамамен 3 200 МВт болатын ВВЭР-1200 реакторында бір секунд ішінде атом ядроларының шамамен 10²⁰ бөлінуі жүреді. Түсінікті болу үшін айтсақ, бұл – 1 санынан кейін 20 нөлі бар сан. Бір бөліну кезінде бөлінетін энергия өте аз, шамамен 200 МэВ (мегаэлектронвольт). Алайда олардың жиынтық әсері нәтижесінде орасан зор жылу энергиясы бөлінеді.
Ең таңғаларлығы – бұл үдеріс бір секундтан кейін тоқтамайды. Ол энергоблоктың бірнеше ай бойы жұмыс істеуі кезінде үздіксіз жалғасып, басқару және қорғаныс жүйелерінің бақылауында болады.
Реактордың белсенді аймағында не орналасқан?
Реактордың негізгі бөлігі – берік болат корпустың ішінде орналасқан белсенді аймақ.
ВВЭР-1200 реакторының белсенді аймағында 163 жылу бөлетін құрастырма бар. Олардың әрқайсысы 312 герметикалық металл түтіктен – жылу бөлетін элементтерден, яғни твэлдерден тұрады. Бұл түтіктердің ішінде уран диоксидінен жасалған шағын керамикалық таблеткалар орналасқан.
Ядролық бөліну реакцияларының негізгі бөлігі дәл осы отын таблеткаларында жүреді. Бөлінген энергия отынды қыздырып, твэлдердің қабықшалары арқылы айналасындағы суға беріледі.
Су бір мезгілде екі маңызды қызмет атқарады: отыннан жылуды әкетеді және жылдам нейтрондарды баяулатып, уран-235 ядроларының қайта бөліну ықтималдығын арттырады.
Осылайша, су тізбекті реакцияны ұстап тұруға да, белсенді аймақты салқындатуға да қатысады.
Тізбекті реакцияны қалай бақылауда ұстайды?
Бір қарағанда, әрбір бөліну жаңа нейтрондарды тудыратын тізбекті реакция үздіксіз үдей беруі тиіс сияқты көрінеді. Алайда реактордың негізгі міндеті – бөліну санын бақылаусыз арттыру емес, реакцияның белгіленген қарқындылығын тұрақты деңгейде ұстап тұру.
Реактор тұрақты жұмыс істеген кезде жаңа бөлінулерді тудыратын нейтрондар саны жұтылатын немесе белсенді аймақтан шығып кететін нейтрондар санымен тепе-теңдікте болады.
Мұндай жағдай критикалық күй деп аталады және ол өздігінен жалғасатын тұрақты тізбекті реакцияны білдіреді.
Бұл үдерісті басқару үшін басқару және қорғаныс жүйесінің арнайы нейтрон жұтқыш өзектері қолданылады. Олар белсенді аймаққа енгізілген кезде нейтрондардың көбірек бөлігі жұтылып, реакция қарқындылығы төмендейді. Ал өзектер шығарылған кезде бөлінуге қатысатын нейтрондар саны артуы мүмкін.
Сонымен қатар реактивтілік бірінші контурдағы жылу тасымалдағыш құрамындағы бор қышқылының концентрациясын өзгерту арқылы реттеледі. Себебі бор нейтрондарды тиімді жұтады.
Реактордың физикалық қасиеттері де маңызды рөл атқарады. Ядролық отын құрамында уран-238 де болады. Отын қызған кезде ол нейтрондарды көбірек жұтады. Нәтижесінде тізбекті реакцияны жалғастыруға қатысатын нейтрондар саны азайып, реактор қуатының шамадан тыс артуына жол берілмейді.
Үздіксіз бақылауды нейтрон ағынын, температураны, қысымды және басқа да көрсеткіштерді өлшейтін көптеген датчиктер қамтамасыз етеді. Белгіленген шекті көрсеткіштерден ауытқу анықталған жағдайда автоматты қорғаныс жүйесі тізбекті реакцияны жылдам тоқтата алады. Қауіпсіздік функцияларын қамтамасыз ету үшін тиісті жүйелердің резервтік мүмкіндіктері мен бір-бірінен тәуелсіз жұмыс істеуі қарастырылған.
Ядролық бөлінуден электр энергиясына дейін
Номиналды қуатта жұмыс істейтін ВВЭР-1200 реакторы бір секунд ішінде шамамен 3,2 миллиард джоуль жылу энергиясын бөледі.
Осындай көлемдегі жылуды әкету үшін реактордың белсенді аймағы арқылы бірінші контурдағы су үздіксіз айналымға түседі. Жылулық қуаты шамамен 3 200 МВт болатын ВВЭР-1200 энергоблогы шамамен 1 200 МВт электр қуатын өндіре алады. Бұл осындай қуат деңгейінде жұмыс істеген кезде әр секунд сайын шамамен 330 кВт·сағ электр энергиясы өндірілетінін білдіреді. Осылайша, атом электр станциясының ішінде бір мезгілде атом ядроларының миллиардтаған миллиард бөлінуі, жылудың үздіксіз берілуі және энергияның электр энергиясына айналуы жүзеге асады.
Ядролық реактор жұмысының бір секунды – атом ядроларының миллиардтаған миллиард бөлінуі ғана емес, сонымен қатар атом энергиясын электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік беретін ғылыми жаңалықтар мен күрделі инженерлік шешімдердің нәтижесі.