Jedrski reaktor: princip delovanja, naprava in vezje

Zasnova in delovanje jedrskega reaktorja temeljita na inicializaciji in nadzoru jedrske jedrske reakcije. Uporablja se kot raziskovalno orodje za proizvodnjo radioaktivnih izotopov in kot vir energije za jedrske elektrarne.

Jedrski reaktor: načelo dela (na kratko)

Tu se uporablja proces jedrske fisije, v katerem se težko jedro razdeli na dva manjša drobca. Ti fragmenti so v zelo vznemirjenem stanju in oddajajo nevtrone, druge subatomske delce in fotone. Neutroni lahko povzročijo nove fisije, zaradi česar so še bolj sevani in tako naprej. Takšna neprekinjena samozadostna serija razpok se imenuje verižna reakcija. Hkrati je dodeljena velika količina energije, katere proizvodnja je namen uporabe jedrskih elektrarn.

Načelo delovanja jedrskega reaktorja in jedrske elektrarne je tako, da se v zelo kratkem času po začetku reakcije sprosti kolonija 85% energije cepitve. Preostanek je nastal kot posledica radioaktivnega razpada fisijskih produktov, potem ko so sevali nevtronov. Radioaktivno razpadanje je proces, v katerem atom doseže stabilnejše stanje. Nadaljuje se po zaključku delitve.

V jedrski bazi veriga reakcija poveča svojo intenziteto, dokler se večina materiala ne razcepi. To se zgodi zelo hitro, kar povzroča izredno močne eksplozije, značilne za takšne bombe. Zasnova in delovanje jedrskega reaktorja temeljita na vzdrževanju verižne reakcije na regulirani, skoraj konstantni ravni. Zasnovan je tako, da ne more eksplodirati kot atomska bomba.

Reakcijska veriga in kritičnost

Fizika jedrskega fisijskega reaktorja je, da verjetno reakcijo določimo z verjetnostjo delitve jedra po emisiji nevtronov. Če se populacija slednjih zmanjša, stopnja fisije sčasoma pade na nič. V tem primeru bo reaktor v podkritičnem stanju. Če se populacija nevtronov ohrani na konstantni ravni, bo stopnja razpadanja ostala stabilna. Reaktor bo v kritičnem stanju. In, končno, če se število populacij nevtronov s časom poveča, se bo stopnja cepitve in moč povečala. Stanje jedra postane nadkritično.

Načelo jedrskega reaktorja je naslednje. Pred začetkom je populacija nevtronov blizu nič. Operaterji nato odstranijo krmilne palice iz jedra, povečajo fisijo jeder, začasno premikajo reaktor v superkritično stanje. Po doseganju nazivne moči operaterji delno vrnejo krmilne palice, ki uravnavajo število nevtronov. V prihodnosti se reaktor ohrani v kritičnem stanju. Ko jo je treba ustaviti, operaterji v celoti vstavijo palice. To zavira razdelitev in prenos aktivne cone v podkritično stanje.

Vrste reaktorjev

Večina obstoječih jedrskih objektov na svetu je energija, ki proizvaja toploto, potrebno za rotacijo turbin, ki so v gibanju elektroenergetike. Obstaja tudi veliko raziskovalnih reaktorjev, nekatere države pa imajo podmornice ali površinske ladje, ki jih poganja energija atoma.

Elektrarne

Obstaja več tipov takšnih reaktorjev, vendar je gradnja na lahki vodi našla široko uporabo. V zameno lahko uporablja vodo pod pritiskom ali vrelo vodo. V prvem primeru se tekočina pod visokim pritiskom ogreva s toploto jedra in vstopi v generator pare. Tam se toplota iz primarnega kroga prenese na sekundarno, ki vsebuje tudi vodo. V končni fazi nastaja para kot delovna tekočina v ciklu parne turbine.

Reaktor z vreliščem deluje na principu neposrednega energetskega cikla. Voda, ki poteka skozi aktivno območje, se prenese na vrenje pri povprečnem tlaku. Nasičena para prehaja skozi vrsto separatorjev in sušilnikov, ki se nahajajo v reaktorski posodi, kar vodi do pregretega stanja. Pregreto vodno paro se nato uporabi kot delovna tekočina, ki vrti turbino.

Visoka temperatura s hlajenjem plina

Visoko temperaturni plinski hlajeni reaktor (HTGR) je jedrski reaktor, katerega princip temelji na uporabi mešanice grafita in gorivnih mikrosfer kot goriva. Obstajata dva konkurenčna modela:

• Nemški sistem "backfill", ki uporablja sferične gorivne celice s premerom 60 mm, ki je mešanica grafita in goriva v grafitni lupini;
• Ameriška različica v obliki grafitnih šestkotnih prizem, ki se držijo, ustvarjanju aktivne cone.

V obeh primerih je hladilna tekočina sestavljena iz helija pod tlakom okoli 100 atmosfere. V nemškem sistemu helij prehaja skozi vrzeli v sferičnem sloju gorivne celice, in v ZDA - skozi luknje v grafitnih prizmah, ki se nahajajo vzdolž osi centralnega območja reaktorja. Obe različici lahko delata pri zelo visokih temperaturah, saj ima grafit izjemno visoko sublimacijsko temperaturo, helij je popolnoma kemijsko inerten. Vroči helij je mogoče uporabiti neposredno kot delovno tekočino v plinski turbini pri visoki temperaturi ali pa se njegova toplota lahko uporablja za pridobivanje pare vodnega cikla.

Tekoči kovinski reaktor: shema in princip delovanja

Reaktorji na hitrih nevtronih z natrijevim hladilom so bili v šestdesetih in sedemdesetih letih zelo pozorni. Potem se je zdelo, da so njihove možnosti za razmnoževanje jedrsko gorivo v bližnji prihodnosti pa so potrebne za proizvodnjo goriva za hitro razvijajočo jedrsko industrijo. Ko je v osemdesetih letih postalo jasno, da je to pričakovanje nerealno, je bilo navdušenje ugasnjeno. Vendar pa so bili v ZDA, Rusiji, Franciji, Veliki Britaniji, na Japonskem in v Nemčiji zgrajeni številni takšni reaktorji. Večina jih dela na uranovem dioksidu ali mešanici z plutonijevim dioksidom. V Združenih državah pa je bil največji uspeh dosežen s kovinskimi gorivi.

CANDU

Kanada se je osredotočila na reaktorje, ki uporabljajo naravni uran. To odpravlja potrebo po njegovi bogatitvi, da se zateče k storitvam drugih držav. Rezultat te politike je bil deuterijev uranski reaktor (CANDU). Nadzor in hlajenje v njem proizvaja težka voda. Naprava in načelo delovanja jedrskega reaktorja sestavljata uporaba rezervoarja z mrazom D₂O pri atmosferskem tlaku. Aktivna cona je prežeta z cevmi iz cirkonijeve zlitine z gorivom iz naravnega urana, skozi katerega krožijo težka voda. Električna energija se proizvaja s prenosom toplote cepitve v težki vodi na hladilno tekočino, ki kroži skozi generator pare. Para v sekundarnem krogu nato poteka skozi navaden turbinski cikel.

Raziskovalne naprave

Za izvajanje znanstvenih raziskav, najpogosteje uporabljenega jedrskega reaktorja, katerega princip je uporaba vodnega hlajenja in ploščatih uranovih gorivnih celic v obliki sklopov. Je sposoben delovati v različnih nivojih moči, od nekaj kilovatov do več sto megavatov. Ker proizvodnja električne energije ni glavna naloga raziskovalnih reaktorjev, jih karakterizira ustvarjena toplotna energija, gostota in nominalna energija jedrnih nevtronov. Ti parametri pomagajo oceniti sposobnost raziskovalnega reaktorja za izvedbo posebnih preiskav. Nizkoenergetski sistemi pogosto delujejo na univerzah in se uporabljajo za usposabljanje, potrebna pa je tudi visoka moč v raziskovalnih laboratorijih za preskušanje materialov in značilnosti ter za splošne raziskave.

Najpogostejši raziskovalni jedrski reaktor, struktura in načelo delovanja pa so naslednji. Njegova aktivna cona se nahaja v spodnjem delu velikega globokega bazena z vodo. To poenostavlja opazovanje in postavitev kanalov, skozi katere se usmerijo nevtronski žarki. Pri nizkih močeh ni potrebno črpalko hladiti, ker ohranja varno delovno stanje, naravna konvekcija hladilne tekočine zagotavlja zadostno odvajanje toplote. Toplotni izmenjevalnik je praviloma nameščen na površini ali v zgornjem delu bazena, kjer se nabira vroča voda.

Ladijske naprave

Začetna in glavna uporaba jedrskih reaktorjev je njihova uporaba na podmornicah. Njihova glavna prednost je, da za razliko od sistemov zgorevanja fosilnih goriv ne potrebujejo zraka za pridobivanje električne energije. Posledično lahko atomska podmornica dolgo časa ostane potopljena, običajna dizelsko-električna podmornica pa se mora občasno dvigniti na površino, da bi zagnala svoje motorje v zraku. Jedrska energija daje strateškim prednost ladjam mornarice. Zaradi tega ni potrebe po polnjenju v tujih pristaniščih ali iz občutljivih tankerjev.

Razvito je načelo delovanja jedrskega reaktorja na podmornici. Vendar pa je znano, da v ZDA uporablja visoko obogateni uran, upočasnitev in hlajenje pa proizvaja lahka voda. Na zasnovo prvega jedrskega podmorskega reaktorja USS Nautilus so močno vplivale zmogljive raziskovalne zmogljivosti. Njegove edinstvene lastnosti so zelo velika rezerva reaktivnosti, ki zagotavlja dolgo obratovanje brez polnjenja goriva in možnost ponovnega zagona po ustavitvi. Elektrarna na podmornicah mora biti zelo tiha, da bi se izognila odkrivanju. Za zadovoljevanje posebnih potreb različnih razredov podmornic so bili ustvarjeni različni modeli elektrarn.

Ameriški mornariški letalski prevozniki uporabljajo jedrski reaktor, katerega načelo naj bi izposodilo največje podmornice. Podrobnosti o njihovem oblikovanju niso bile objavljene.

Poleg Združenih držav so jedrske podmornice na voljo v Veliki Britaniji, Franciji, Rusiji, na Kitajskem in v Indiji. V vsakem primeru načrt ni bil razkrit, vendar se domneva, da so vsi zelo podobni - to je posledica istih zahtev glede njihovih tehničnih lastnosti. Rusija ima tudi majhno floto jedrski ledolomilci, na katerem so bili nameščeni isti reaktorji, kot na sovjetskih podmornicah.

Industrijske rastline

Za namene proizvodnje orožnega plutonija-239 Uporablja se jedrski reaktor, katerega princip je visoka produktivnost pri nizki proizvodnji energije. To je posledica dejstva, da podaljšano bivanje plutonija v jedru vodi do kopičenja nezaželenih ²⁴⁰Pu.

Proizvodnja tritija

Trenutno je glavni material, pridobljen s pomočjo takšnih sistemov, tritij (³H ali T) vodikove bombe. Plutonij-239 ima dolgo razpolovno dobo 24.100 let, tako da je država z jedrskim orožjem, ki uporabljajo ta element, kot pravilo, še bolj, kot je potrebno. Za razliko od ²³⁹Pu, razpolovna doba tritija je približno 12 let. Zato je treba za ohranjanje potrebnih rezerv tega radioaktivnega izotopa vodika stalno proizvajati. V ZDA, v Savanavski reki (Južna Karolina), na primer, obstaja nekaj težkih reaktorjev, ki proizvajajo tritij.

Plavajoči agregati

Ustvarjeni so bili jedrski reaktorji, ki lahko zagotavljajo oddaljene izolirane površine z električno energijo in paro. Na primer, v Rusiji so bile uporabljene majhne elektrarne, posebej zasnovane za vzdrževanje arktičnih naselij. Na Kitajskem, 10-MW HTR-10 objekt dobavlja toploto in moč raziskovalnega inštituta, v katerem se nahaja. Na Švedskem in v Kanadi poteka razvoj majhnih, avtomatsko nadzorovanih reaktorjev s podobnimi zmogljivostmi. Med letoma 1960 in 1972 je ameriška vojska uporabljala kompaktne vodne reaktorje za zagotavljanje oddaljenih baz na Grenlandiji in Antarktiki. Zamenjali so jih elektrarne črnega olja.

Osvajanje prostora

Poleg tega so bili razviti reaktorji za oskrbo z električno energijo in gibanje v vesolju. Med letoma 1967 in 1988 je Sovjetska zveza postavila majhne jedrske instalacije za satelite serije Cosmos za napajanje opreme in telemetrije, vendar je ta politika postala tarča kritike. Vsaj eden od teh satelitov je vstopil v zemeljsko atmosfero, kar je povzročilo radioaktivno onesnaženje na oddaljenih območjih Kanade. Združene države so leta 1965 uvedle le en satelit z jedrskim reaktorjem. Vendar pa se še naprej razvijajo projekti za njihovo uporabo na dolgih vesoljskih poletih, študijah drugih planetov ali na trajni lunarni osnovi. To bo nujno jedrski reaktor, ki je hlajen s plinom ali tekočimi kovinami, katerih fizikalna načela bodo zagotovila najvišjo možno temperaturo, ki je potrebna za zmanjšanje velikosti radiatorja. Poleg tega mora biti reaktor za vesoljsko tehnologijo čimbolj kompakten, da se čim bolj zmanjša količina materiala, ki se uporablja za zaščito, in zmanjšati težo med zagonom in vesoljskim poletom. Rezerva goriva bo zagotovila delovanje reaktorja za celotno obdobje vesoljskega poleta.