Графит — вспомогательный материал многих производств и он же — конструкционный материал отдельных производств. Отдельных, но очень важных. Об одном из них расскажем подробнее.
В двух точках земного шара, разделенных океаном и еще сотнями километров суши, установлены две мемориальные доски сходного содержания. Надпись на одной из них — чикагской, гласит: «Здесь 2 декабря 1942 года впервые проведена человеком цепная ядерная реакция, и тем самым сделан первый шаг в управлении освобожденной энергией ядра». Первый в мире ядерный реактор был, как известно, построен в Соединенных Штатах Америки; руководил этой работой великий итальянский физик Энрико Ферми.
Подобная же доска есть на фасаде одного из московских домов, на территории Института атомной энергии, носящем имя Игоря Васильевича Курчатова. На доске написано: «25 декабря 1946 года в этом здании впервые на континенте Европы и Азии И. В. Курчатов с сотрудниками осуществил цепную ядерную реакцию деления урана».
Принцип работы ядерного реактора на АЭС
И первый в мире атомный реактор, и первый реактор нашей страны были уран-графитовыми.
Очевидно, большинству читателей известно, что основная роль графита в атомном реакторе — роль замедлителя нейтронов. Но все ли знают, зачем нужно замедлять их? Обычно на этот вопрос отвечают, что быстрые нейтроны не делят ядра урана-235.
Это не совсем так. Если бы быстрый нейтрон попал в ядро урана-235, он слился бы с ним, и составное ядро распалось. Но ядро, как известно, во много раз меньше атома, и большинство нейтронов летит мимо. Медленные нейтроны, пролетающие близ ядер урана-235, захватываются этими ядрами, после чего ядра делятся. Быстрые же нейтроны слишком энергичны, и ядра рассеянного в массе урана-238 легкого изотопа (урана-235) не успевают их захватить.
Энрико Ферми и Лео Сциллард первыми высчитали, что цепной процесс деления урана станет возможен, если замедлить нейтроны со скорости примерно 22 м/с. (Для микромира это очень небольшая скорость. Ни один генератор нейтронов не может дать столь заторможенных частиц. Значит, их нужно замедлить в веществе.)
Полагали, и не без оснований, что самым лучшим, самым эффективным замедлителем нейтронов будет тяжелая вода, окись дейтерия D2O.
Первая в мире установка, в которой надеялись провести цепную ядерную реакцию, была построена еще в 1939 г. во Франции. Это был алюминиевый шар, заполненный суспензией окиси урана в тяжелой воде. С тяжелой водой связаны по меньшей мере три героических истории.
Норвежские антифашисты взорвали электролитическую установку завода «Хайдро» и уничтожили большую часть запасов D2O, предназначенных для вывоза в фашистскую Германию. Ассистенты Фредерика Жолио-Кюри Лев Коварский и Ганс Хальбан сумели вывезти из оккупированной Франции 130 литров тяжелой воды, по сути дела весь французский запас.
Известна, наконец, драматическая история великого датчанина Нильса Бора, который, покидая родину, не взял с собой ничего, кроме зеленой пивной бутылки с тяжелой водой. Велики были огорчение и смятение Бора, когда, прибыв в Англию, он обнаружил, что подстать хрестоматийным рассеянным профессорам взял не ту бутылку. Датским подпольщикам передали приказ найти и изъять бутылку с D2O до того, как ее обнаружат фашисты. Это стоило немалых трудов и риска, но в конце концов все окончилось благополучно, и Бор с облегчением откупорил «не ту» бутылку — в ней было хорошее пиво.
Устройство РБМК на Чернобыльской АЭС
Эти три истории, разумеется, не равнозначны. Ликвидиция производства D2O в Норвегии нанесла серьезный удар по планам немецких физиков, ибо в 1942 г. на этом заводе, согласно директивам из Германии, должны были получить более 4,5 тонны тяжелой воды. Заметим, что, по расчетам Ф. Жолио-Кюри, для поддержания цепной реакции нужно было накопить всего одну тонну D2O.
Много лет спустя реакторы с тяжелой водой в качестве замедлителя появились. Но самые первые ядерные реакторы и Ферми, и Курчатов предпочли делать уран-графитовыми. Почему? Вот что писала по этому поводу в книге воспоминаний «Атомы у нас дома» Лаура Ферми — вдова великого физика. «После нескольких месяцев исследований они пришли к заключению, что ни вода, ни какое-либо иное водородсодержащее вещество не пригодны в качестве замедлителя. Водород поглощает слишком много нейтронов, и в силу этого цепная реакция становится невозможной.
Лео Сциллард и Ферми решили использовать в качестве замедлителя углерод. Они полагали, что углерод будет в достаточной мере замедлять нейтроны и поглощать их будет меньше, чем вода. Но для этого углерод должен обладать очень высокой степенью чистоты.
Сциллард и Ферми задумали соорудить нечто такое, что, по их рассуждению, должно было обеспечить цепную реакцию. Это сооружение должно было представлять собой кладку из слоев урана и очень чистого графита; пласты чистого графита должны чередоваться с пластами графита со вставленными в него стержнями урана, иначе говоря, они решили построить pile, или «котел».
Перевод слова pile как «котел» вряд ли можно признать удачным (английское pile означает штабель, груду). И действительно, первые реакторы скорее напоминали штабель. В нашей стране термин «атомный котел» просуществовал недолго. Общепринятое ныне название таких сооружений — ядерный реактор.
Из других книг известны некоторые технические характеристики реактора, сооруженного Ферми, и некоторые подробности их работы. Подобно автомобильным запчастям, предлагаемым на dtbm.ru все атомные реакторы создаются из высококачественных материалов. В ход идут высококлассные марки стали, и очищенный графит. Известно, например, что основой конструкции были графитовые колонны высотой в 3 и шириной в 1,2 метра и что сооружение из графитовых блоков дополнялось кубическими банками с окисью урана. Как писал историограф американских ядерных исследований Уильям Л. Лоуренс, «атомному огню разрешили гореть в течение двадцати восьми минут, затем Ферми дал сигнал, и огонь был погашен».
А еще известно, что над уран-графитовой кладкой во время первого ее пуска дежурили двое молодых ученых с ведрами наготове. В ведрах был раствор кадмиевой соли: кадмий активно поглощает нейтроны и гасит цепную реакцию.
Обратимся теперь к другой известной книге, чтобы, как говорят, из первых рук, от одного из сподвижников Курчатова узнать. что делали с ураном и графитом в конце войны.
К тому, что мы знаем о личности Курчатова — ученого и организатора науки, этот отрывок добавит немногое, разве что еще раз засвидетельствует, что Курчатов не чурался черновой и черной в полном смысле этого слова работы. А вот о роли графита в реакторостроении этот же отрывок рассказывает внимательному читателю довольно многое.
Из предыдущего мы знаем о двух ролях графита в реакторе— о замедлении им нейтронов и о графите как конструкционном материале. Здесь же, в последних строках,— свидетельства третьей и четвертой его ролей. Графит в реакторе служит еще и отражателем нейтронов, мешает им покинуть активную зону, и он же служит первым рубежом радиационной защиты обслуживающего реактор персонала.
Для работы в атомном реакторе пригоден далеко не всякий графит. В реакторном графите не должно быть и следов кадмия, бора, ванадия, лития, редкоземельных элементов, а также ртути и хлора, сильно поглощающих нейтроны. Строго регламентируются и другие примеси. Поэтому в реакторах используют лишь искусственный графит высшей чистоты.
В одной старой книге я нашел такое определение: «Графит представляет последнюю стадию многовековой естественной карбонизации органических веществ». Действительно, каменный уголь можно считать предшественником графита на углеродном генеалогическом древе. Условия превращения угля в графит под землей — высокая температура и отсутствие кислорода.
Тогда уголь расходует на окисление тот незначительный запас кислорода, что в нем сохранился. Этот кислород окисляет прежде всего остаточный водород каменного угля. Водяной пар уходит, остается чистый углерод, атомы которого в этих условиях перестраиваются в кристаллическую решетку графита.
Получая искусственный графит, человек ничего не придумывает от себя, он повторяет путь «естественной карбонизации органических веществ». Сырьем для получения реакторного графита обычно служат нефтяной кокс и каменноугольная смола (в качестве связующего). Их заранее тщательно очищают от примесей, кокс дробят на мелкие куски, а затем смешивают со смолой, получают густую тестоподобную массу. Из нее заранее прессуют нужные детали, чтобы до предела уменьшить последующую механическую обработку.
В электрической или газовой печи при температуре 1500°С происходит процесс полного обугливания и частичной графитизации этой массы. Одновременно идет вторая стадия очистки: выгорает часть примесей. Но вещество, полученное после обжига, это еще не реакторный графит. И примеси кое-какие остались, и поры. Да и структура вещества пока еще мелкокристаллическая, характерная для низших сортов природного графита.
Более плотный графит получается после дополнительной пропитки смолой и повторного обжига. «На этой стадии,— как пишут английские специалисты Д. Дрисколл и Дж. Белл,— продукт спекания очень твердый, он не поддается механической обработке и все еще содержит значительное количество примесей. Поэтому изделие засыпают нефтяным коксом и подвергают графитизирующему обжигу в электрической печи при температуре порядка 2800 °С; при этой обработке происходит образование кристаллов и возникает типичная для графита слоистая структура. Одновременно изменяются и свойства графита; полученный материал можно легко подвергать механической обработке, и теплопроводность его увеличивается. В процессе графитизации повышается также чистота продукта, поскольку многие примеси при столь высоких температурах улетучиваются».
К этому можно добавить, что на второй стадии графитизации размеры кристаллов графита увеличиваются примерно в десять раз и достигают в поперечнике тысячных долей миллиметра. Плотность реакторного графита 2,21—2,25 грамма на кубический сантиметр, температура плавления 3800—3900 °С под давлением, предел прочности на растяжение не меньше 50 килопаскалей на 1 квадратный сантиметр, а на сжатие — от 160 до 300. Сечение захвата тепловых нейтронов регламентируется особенно строго и составляет не больше 0,0045 барна. Это очень мало, однако у спектрально чистого графита эта величина еще в полтора раза меньше.
Физиков и конструкторов современных «атомных котлов» графит реакторной чистоты в общем-то устраивает. Но не во всем. Из всех недостатков такого графита, пожалуй, наибольший— хрупкость, т.е. малое сопротивление ударным нагрузкам. И еще — изменение физических свойств под действием нейтронной бомбардировки. Особенно сильно уменьшаются его электропроводность и теплопроводность.
Последнее очень плохо, ибо при работе ядерного реактора выделяется тепло, которое надо отводить.
Но не все характеристики графита под действием нейтронных потоков ухудшаются. Модуль упругости, например, напротив, растет. Одним словом, комплекс физических и химических свойств искусственного графита в целом соответствует высоким требованиям современной атомной техники.
Источник: a-smirnov.ru
для чего графитовые стержни на АЭС
Графитовые стержни служат ингибитором, регулятором активности ядерного распада. Остановка АЭС подразумевает опускание стержней в реактор вплоть до полной остановки ядерной реакции. Распад радиоактивных элементов находящихся в реакторе все равно продолжается но без активного выделения тепловой энергии.
Для того чтобы контролировать термоядерную цепную реакцию в реактивной зоне атомного реактора. Когда стержни опускаються а реактивную зону они начинают поглощать протоны которые излучают атомы урана. Протоны в термоядерной реакции играют роль «активатора» других атомов урана.
Протоны как — бы ударяются о ядра других атомов урана, что заставляет эти атомы выделять большое количество энергии (тепловой, радиоактивного излучения) и выпускать из этого атома другие протоны которые в свою очередь бьют по другим атомам урана, дальше происходит то же самое. Стержни «ловят» протоны и не дают им ударятся о другие атомы урана, что и тормозит термоядерную цепную реакцию. Но даже если их опустить полностью это не приведет к остановке реактора. Для того чтобы его оставить стержни должны побыть опущенными как минимум месяц.
Понимаю, что писать сюда что-то уже поздно, автор, скорее всего, не увидит ответ, но всё же.
Не надо путать стержни СУЗ (система управления и защиты) с графитовыми вытеснителями, которые были на РБМК до Чернобыльской аварии. Стержни СУЗ были и есть у всех реакторов и делаются они из материала, хорошо ПОГЛОЩАЮЩЕГО нейтроны — например, бор-10, но никак не графит. Ввели стержень — нейтронов поглощается больше — интенсивность реакции уменьшается, происходит меньше делений, вытащили — нейтронов поглощается меньше, реакция усиливается. Если надо остановить реактор, все стержни погружают в активную зону, тогда поглощается так много нейтронов, что рнакция не может продолжаться — нет нейтронов, нет и реакции.
А графит это замедлитель. Он замедляет нейтроны до такой энергии, при которой они будет больше вероятность, что они разделят ядра урана-235. Замедлитель замедляет не реакцию, как можно предположить, а нейтроны. В некоторых случаях, если замедлитель убрать, то число делений может уменьшиться, но вдаваться в подробности «мутной ядерной физики» сейчас не буду.
Как-то так.
Источник: otvet.mail.ru
«Графитовые стержни»
Для тех, кто только начал заниматься атомной энергетикой. Хочу обратить внимание на один «ляп».
Откуда это взялось, сейчас не буду вдаваться в предположения.
Графитовые стержни
Очень часто на просторах интернета встречаются какие-то графитовые стержни, регулирующие ядерную реакцию. Вот, например, первая статья, которая выходит, если забить в гугл «графитовые стержни»: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwik. (Тут в конце даже договариваются до того, что из облученного графита потом выделяют плутоний.)
Вот сие чудо:
«Атомные настроения» от Росатома
Пояснение к тем же «атомным настроениям» в группе Росатома
Какие-то интернетовские энциклопедии
В большинстве статей описывается функция стержней СУЗ (системы управления и защиты), которые действительно есть в ядерном реакторе. Но они сделаны из отлично поглощающего нейтроны материала, например, бор-10. Если точнее, то не чисто из бора, а из карбида бора (вот тут да, стержни на самом деле содержат углерод).
Графит не поглотитель, а замедлитель; он замедляет, но почти не поглощает нейтроны. Кстати, поэтому графит и считается лучшим замедлителем, чем вода — в нём меньше «паразитное» поглощение.
Источник: reaktorrbmk.livejournal.com
ТВЭЛ — это тепловыделяющий элемент. Ядерный реактор
Хотя атомная энергетика не является на сегодняшний день полностью безопасной, реакторов и электростанций по всему миру больше строится, нежели закрывается. Так в Соединенных Штатах Америки количество действующих реакторов только-только перевалило за сотню, во Франции (второе место по количеству мирного атома на планете) — около 60, и обеспечивают они порядка 80 % от вырабатываемого в стране электричества.
Топливом для ядерного реактора служит ТВЭЛ. Это элемент, в котором непосредственно протекает управляемая цепня реакция. Как устроены «дрова» атомного котла, как они изготавливаются и что происходит с топливом в сердце электростанции?
Что такое цепная ядерная реакция
Известно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Например, в ядре атома урана содержится 92 протона и 143 или 146 нейтронов. Сила отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре урана просто громадна, около 100 кгс в одном единственном (!) атоме. Однако разлетаться ядру не дают внутриядерные силы. При попадании в ядро урана свободного нейтрона (только нейтральная частица способна приблизиться к ядру) последнее деформируется и разлетается на две половинки плюс два-три свободных нейтрона.
Эти самые свободные нейтроны атакуют ядра других атомов, и т. д. Таким образом, количество столкновений увеличивается в геометрической прогрессии и в доли секунды вся масса радиоактивного металла распадается. Этот распад сопровождается разлетом на околосветовых скоростях во все стороны осколков, их столкновения с молекулами окружающей среды вызывают нагревание до нескольких миллионов градусов. Это картина обычного ядерного взрыва. ТВЭЛ это явление направляет в мирное русло. Как это происходит?
Управляемая ядерная реакция
Чтобы ядерная реакция смогла поддерживать себя сама, стала цепной, необходимо достаточное количество радиоактивного топлива (т. н. «критическая масса»). В ядерном оружии этот вопрос решается просто: два слитка оружейного металла (урана 235, плутония 239 и т. д.) с массой каждого чуть меньше критической в одно целое соединяют при помощи взрыва обычного тротила.
Для мирного использования атома этот способ не годится. На рисунке схематично показано устройство простейшего атомного реактора. Каждый ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент − урановое топливо) по массе меньше критической, суммарный же их вес превышает эту отметку. Находясь в непосредственной близости друг от друга, ТВЭЛы «обмениваются» свободными нейтронами.
Благодаря такой взаимной нейтронной бомбардировке в реакторе поддерживается цепная ядерная реакция. Графитовые стержни играют роль своеобразных «тормозов» ядерного процесса. Графит – хороший поглотитель нейтронов, реакция затухает, когда стержни из этого материала помещаются между ТВЭЛ. Это полностью останавливает обмен свободными нейтронами.
Таким образом, реакция находится под постоянным контролем автоматики. Распад сопровождается движением в среде теплоносителя осколков ядер урана, которые разогревают его до необходимой температуры.
Как вырабатывается электроэнергия
Дальнейшее устройство атомной электростанции мало чем отличается от обычной тепловой, работающей на газе, мазуте или угле. Разница состоит в том, что в ТЭЦ тепло получается при сжигании ископаемых углеводородов, в АЭС же теплоноситель нагревается ТВЭЛ ядерных реакторов.
Доведенный до температуры в 500–800 °C теплоноситель (в его роли могут выступать перегретая вода, расплавы солей, и даже жидкие металлы) в специальном теплообменнике разогревает воду, превращая ее в сухой пар. Пар вращает турбину, посаженную на один вал с генератором, в котором и вырабатывается электрический ток.
Какие они бывают
Первыми ядерными реакторами были гомогенные устройства. Они представляли собой котлы, в которых находилось ядерное топливо (чаще жидкое, реже газообразное). Это расплав солей урана или слабо обогащенного урана, иногда взвеси урановой пыли и т. д. Процесс регулировался введением в активную зону замедлителя в виде пластин или стержней из материала, который хорошо замедляет свободные нейтроны. Тепло передавалось воде посредством расположенных прямо в активной зоне теплообменников, наподобие колосников в угольной печи.
На нашем же рисунке изображен гетерогенный ядерный реактор, которых сейчас в мире абсолютное большинство. Такие «атомные котлы» легче обслуживать, менять в них топливо, ремонтировать, они безопаснее и надежнее старых гомогенных.
Еще одним бонусом использования урановых ТВЭЛов является генерация в них в результате облучения нейтронами ядер урана такого элемента, как плутоний 239, который затем используется как топливо для малогабаритных ядерных реакторов, а так же в качестве оружейного металла.
Где берется топливо для атомных электростанций
Уран добывают во многих странах мира открытым (карьерным) или шахтным способом. Изначально в руде содержится даже не сам уран, а его оксид. Выделение металла из окисла – сложнейшая цепь химических превращений. Далеко не каждая страна мира может позволить себе обзавестись предприятиями по производству ядерного топлива.
Дальнейшая задача − обогащение добытого урана. Менее 1 % урана 235 содержится в природном материале, остальное – изотоп 238. Разделить эти два элемента чрезвычайно тяжело. Центрифуги по обогащению урана — это сложнейшие устройства.
Как устроен ТВЭЛ
В руки инженеров попадает инженеров обогащенный уран, но это пока еще на ядерное топливо. Производство этого топлива сродни порошковой металлургии. Порошкообразный металл (или его химических соединений) прессуется в небольшие таблетки диаметром около сантиметра.
Изделия из металлического урана лучше приспособлены выдерживать адские условия внутри реактора, но чистый элемент очень дорог в производстве. Намного дешевле диоксид урана, но чтобы он не рассыпался от огромных давления и жара приходится запекать под громадным давлением при температуре более 1000 °C.
ТВЭЛ — это набор таких шайб длиной порядка 2-4 метров, помещенный в трубку из стали или сплавов железа с молибденом. Сами ТВЭЛы набираются в пучок из нескольких десятков или даже сотен. Такой набор называют тепловыделяющей сборкой (ТВС).
ТВС устанавливаются непосредственно в сердце атомного реактора. В одном реакторе их количество может достигать нескольких сотен. По мере распада урана ТВЭЛы теряют свою способность производить тепло, тогда их заменяют. Но один килограмм технического урана, обогащенного до содержания 235 изотопа 4%, за свою жизнь в атомном реакторе успевает произвести столько же энергии, сколько получилось бы при сжигании 300 стандартных двухсотлитровых бочек топочного мазута.
Источник: www.syl.ru