Значение слова РЕАКТОР. Что такое РЕАКТОР?

Реакторы из сферы микробиологии: как работают и для чего их применяют

Живем и часто не задумываемся, откуда берутся те или иные медицинские и лекарственные препараты. Кажется, что достаточно лишь заказать опытному фармацевту изготовление таблеток и микстур по рецепту, оплатить работу и лечиться себе на здоровье. Но это далеко не так, потому что в современной биотехнической промышленности используют реакторы, благодаря которым изготавливаются целые партии продуктов фармацевтики, важных вакцин, пищевых добавок, ферментных препаратов. Без биореакторов не обойтись, если надо выполнить согласно всем требованиям производство полисахоридов и нефтедеструкторов. Основные характеристики биологического реактора очень мощные, показательные, поэтому все процессы выполняются согласно установленной эффективной технической процедуре. Первым ученым, который внедрил биореакторы в промышленность стал микробиолог СССР М.Д. Утенов, добившись в ходе исследований убедительных положительных результатов.

Назовем основные технические характеристики биореактора и сферу его применения:

  • Реактор микро-биологической сферы способен создавать оптимальные условия для культивирования клеток и полезных микроорганизмов, как основа для создания вакцин и медицинских синтетических препаратов.
  • Благодаря наличию внутри реактора газовой, жидкостной, кислородной составляющих появляется возможность сформировать условия для дыхания, питания, метаболизма тех или иных микроорганизмов.
  • Без биореактора невозможно качественно выполнить процесс микробиологического синтеза.

Видео

Реакторы из сферы ядерной физики: как действуют и для чего их применяют

Самые большие реакторы — ядерные. О них далее пойдет речь. Основные задачи работы атомного реактора проявляются в управлении ядерной реакции, которая обязательно сопровождается выделением энергии.

Схожие по схеме работы и мощности – термоядерные реакторы. Все основные теории о данном устройстве в разные периоды времени сформулировали такие великие ученые с мировым именем, как Андрей Сахаров, Олег Лаврентьев, Игорь Тамм, Лев Арцимович.

Любое устройство ядерного реактора трудно представить без проявления ядерной реакции или ядерного превращения, которые возможны только из-за того, что в определенный момент происходит изменение состава ядра. В ситуации, когда в ходе ядерной реакции выполнится рост количества нуклонов в ядре, тогда будет запущена в реакторе термоядерная реакция или же такой процесс еще называют ядерным синтезом.

ФактАтомные ядра состоят из двух типов нуклонов – протонов или нейтронов. Количество вырабатываемой энергии всецело зависит от наличия нуклонов в ядре.

Главные особенности работы ядерного реактора нельзя рассматривать без связки с таким физическим явлением, как кинетическая энергия или движущая энергия. По физическим законам кинетика частиц провоцирует тепловое движение атомов. И все потому, что внутренние частицы реактора начинают движение, ударяются с атомами, провоцируя возникновение цепной реакции.

Техническая реализация

Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество — точно так же, как в угольной тепловой электростанции.

Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.

Преимущества и недостатки термоядерных реакторов

Типичные ядерные реакторы работают на десятках тонн радиоактивного топлива (которые со временем превращаются в десятки тонн радиоактивных отходов), тогда как термоядерному реактору необходимы лишь сотни грамм трития и дейтерия. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячи лет. В дейтерии тоже недостатка не будет — его в мире производят десятками тысяч тонн в год.

Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 — это безвредный инертный газ.

К тому же термоядерные реакторы безопасны. При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы.

Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек.

И не стоит забывать о радиации. Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить. Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы.

К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм. Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет.

Когда необходимый минимальный фундамент теории заложен, можно перейти и к герою статьи.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232).  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

 

Схема ядерного реактора на АЭС
Схема ядерного реактора на АЭС

 

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

 

Цепная реакция
Цепная реакция

 

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

 

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету
ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

 

Чернобыльская АЭС

Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.

Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.

В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Шок-контент 😱

Ядерная энергия — самый экологически чистый вид энергии на сегодняшний день.

Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.

Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.

В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.

Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но для того, чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны бананов. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.

Улучшенный реактор с газовым охлаждениемAGR

Два самых ранних типа промышленных реакторов — Magnox и усовершенствованный газовый реактор (AGR). Они являются прямыми потомками первой атомной сваи в Чикаго в 1942 году и были построены в Великобритании с 1956 по 1971 год. Как и CP-1, они используют блоки графита в качестве замедлителя, хотя топливо, представляющее собой металлический уран или оксид урана, запаяно в контейнеры из магниевого сплава или нержавеющей стали, а не в стержни.

Погрузка реактора Magnox в Калдер-Холле Погрузка реактора Magnox в Калдер-Холле     

Для охлаждения в этих реакторах используется двуокись углерода. Поскольку прежний реактор Магнокс был предназначен в основном для производства плутония, он был не очень эффективен, поэтому был создан реактор AGR, который работает при более высокой температуре для лучшего производства пара и работы турбин.

Кипящий водо-водяной реактор (BWR)

Boiling water reactor

Следующий по распространенности реактор, известный как реактор с кипящей водой (BWR), является более простым и практически менее безопасным, чем PWR. Как следует из названия, воде в контуре теплоносителя дают возможность закипеть, и пар поступает непосредственно в турбину из защитной оболочки, а после повторной конденсации возвращается в реактор. Это обеспечивает большую вероятность радиоактивного заражения.



Схема кипящего водо-водяного реактора

Схема кипящего водо-водяного реактора

Существует 10 стран, использующих конструкцию BWR. Одна из них — Япония, и в катастрофе на Фукисиме в 2011 году участвовали шесть реакторов BWR, построенных в 1960-х и 70-х годах, которые уже считались устаревшими с точки зрения безопасности, когда цунами и землетрясение разрушили реакторный комплекс. 

Любопытные факты о реакторах

  Применение реакторов началось с активным развитием химии. Их первые прототипы работали еще с конца 19 века. Использовали их в производстве благородных металлов. В 1863 году были проведен электролиз золота. А через несколько десятков лет французские ученые А. Э. Сент-Клер Девиль и А. Дебре в кислородно-водородном пламени выплавили платину. Ядерный реактор – аппарат, где осуществляется управляемая ядерная реакция деления с выделением энергии. Его изобретателем считается итальянец Энрико Ферми, который в 1942 году, в США запустил первый агрегат. В СССР они появились в 1946 году благодаря академику Курчатову. Природный ядерный реактор «заработал» 2 млн. лет назад. Нашли его в 1972 году в урановом месторождении в Габоне (Африка). Контролировалась и замозапускалась реакция благодаря воде. Кстати, не исключают, что радиация стала причиной мутаций обезьян и появления предков человека.   

Теги