Nuklearni reaktor: načelo rada, uređaja i kruga

Dizajn i rad nuklearnog reaktora temelje se na inicijalizaciji i kontroli nuklearne reakcije samoodržive. Koristi se kao istraživački alat za proizvodnju radioaktivnih izotopa i kao izvor energije za nuklearne elektrane.

Nuklearni reaktor: načelo rada (ukratko)

Ovdje se koristi proces nuklearne fisije, u kojem teška jezgra razbija u dva manja ulomka. Ovi fragmenti su u vrlo uzbudljivom stanju i emitiraju neutrone, druge subatomske čestice i fotone. Neutroni mogu uzrokovati nove fuzije, zbog čega se još više zrače, i tako dalje. Takav kontinuirani niz koji se održava samoodržavanjem naziva se lančana reakcija. Istodobno se dodjeljuje velika količina energije čija je proizvodnja svrha korištenja nuklearnih elektrana.

Princip rada nuklearnog reaktora i nuklearne elektrane je takav da se kolonija od 85% energije cijepanja oslobađa u vrlo kratkom vremenu nakon početka reakcije. Ostatak nastaje zbog radioaktivnog raspadanja fisijskih proizvoda, nakon što su zračili neutrone. Radioaktivno raspadanje je proces u kojem atom dostiže stabilnije stanje. Nastavlja se i nakon završetka podjele.

U nuklearnoj bombi, lančana reakcija povećava intenzitet dok se većina materijala ne podijeli. To se događa vrlo brzo, stvarajući izuzetno snažne eksplozije, tipično za takve bombe. Dizajn i rad nuklearnog reaktora temelje se na održavanju lančane reakcije na reguliranoj, gotovo konstantnoj razini. Osmišljen je na takav način da ne može eksplodirati poput atomske bombe.

Lančana reakcija i kritičnost

Fizika nuklearnog fisijskog reaktora je da se lančana reakcija određuje vjerojatnosnošću cijepanja jezgre nakon emisije neutrona. Ako se populacija potonjeg smanjuje, stopa fisije na kraju pada na nulu. U ovom slučaju, reaktor će biti u subkriznom stanju. Ako se populacija neutrona održava na konstantnoj razini, tada će stopa fisije ostati stabilna. Reaktor će biti u kritičnom stanju. I, konačno, ako se stanovništvo neutrona povećava s vremenom, stopa i snaga fisije će se povećati. Stanje jezgre postaje superkritično.

Princip nuklearnog reaktora je kako slijedi. Prije puštanja, neutronska populacija je blizu nula. Operatori zatim uklanjaju kontrolne šipke iz jezgre, povećavajući fizionu jezgre, privremeno prebacujući reaktor u superkritično stanje. Nakon postizanja nominalne snage, operatori djelomično vraćaju kontrolne šipke, regulirajući broj neutrona. U budućnosti, reaktor se održava u kritičnom stanju. Kada ga treba zaustaviti, operatori umetnite šipke u potpunosti. Ovo potiskuje podjelu i prenosi aktivnu zonu do subkritičkog stanja.

Vrste reaktora

Većina postojećih nuklearnih instalacija u svijetu su toplina koja stvara energiju potrebnu za rotaciju turbina, koji su pokrenuli generatore električne energije. Tu su i mnogi istraživački reaktori, a neke zemlje imaju podmornice ili površinske brodove upravljane energijom atoma.

Elektrane

Postoji nekoliko vrsta reaktora ove vrste, ali konstrukcija na laganim vodama je široko primijenjena. S druge strane, može koristiti vodu pod pritiskom ili kipuće vode. U prvom slučaju, tekućina pod visokim pritiskom zagrijava se toplinom jezgre i ulazi u generator pare. Tamo, topline iz primarnog kruga se prenose u sekundarnu, koja također sadrži vodu. Generirano u konačnoj analizi, parnica služi kao radna tekućina u ciklusu parne turbine.

Reaktor vrelišta djeluje na principu izravnog ciklusa energije. Voda koja prolazi kroz aktivnu zonu dovodi do kuhanja na prosječnoj razini tlaka. Zasićena para prolazi kroz niz separatora i sušara koji se nalaze u reaktorskoj posudi, što dovodi do pregrijavanja. Potopna vodena para se zatim koristi kao radni fluid koji rotira turbinu.

Visoka temperatura uz hlađenje plinom

Reaktor visoke temperature plina ohlađenu (HTGR) - nuklearni reaktor, princip rada temelji se na uporabi grafita u obliku smjese goriva i goriva mikrosfera. Postoje dva natječu:

• Njemački "backfill" sustav koji koristi sferne gorivne ćelije s promjerom od 60 mm, što je mješavina grafita i goriva u grafitnoj ljusci;
• Američka varijanta u obliku grafitnih šesterokutnih prizmi, koji se pridržavaju, stvarajući aktivnu zonu.

U oba slučaja, tekućina za hlađenje se sastoji od helija pod tlakom od oko 100 atmosfera. U njemačkom sustavu, helij prolazi kroz praznine u sloju sfernog gorivih ćelija, i u SAD-u - kroz otvore u grafitnim prizmama smještene uzduž osi središnje zone reaktora. Obje inačice mogu raditi na vrlo visokim temperaturama, jer grafit ima izuzetno visoku temperaturu sublimacije, a helij je potpuno kemijski inertan. Vrući helij se može koristiti izravno kao radna tekućina u plinskoj turbini pri visokoj temperaturi, ili se toplina može koristiti za generiranje pare vodenog ciklusa.

Reaktor tekućeg metala: Shema i načelo rada

Reaktori na brzim neutronima s natrijevim rashladnim sredstvima dobili su veliku pozornost 1960-ih i 1970-ih. Tada se činilo da su njihove mogućnosti reprodukcije nuklearno gorivo u bliskoj budućnosti potrebni su za proizvodnju goriva za nuklearnu industriju koja se brzo razvija. Kada je osamdesetih godina postalo jasno da je ovo očekivanje nerealno, oduševljenje je ugasilo. Međutim, broj reaktora ove vrste izgrađen je u SAD-u, Rusiji, Francuskoj, Velikoj Britaniji, Japanu i Njemačkoj. Većina njih radi na uranij-dioksidu ili njegovoj smjesi s plutonijevim dioksidom. Međutim, u Sjedinjenim Državama najveći uspjeh postignut je metalnim gorivima.

CANDU

Kanada je usmjeravala svoje napore na reaktore koji koriste prirodni uran. Time se eliminira potreba za njegovim obogaćivanjem da se pribjegne službama drugih zemalja. Rezultat ove politike bio je reaktor deuterij-urana (CANDU). Kontrola i hlađenje u njoj proizvodi teška voda. Uređaj i načelo rada nuklearnog reaktora sastoji se u korištenju spremnika s hladnim D₂O pri atmosferskom tlaku. Aktivna zona prožeta je cijevi cirkonijeve legure s gorivom od prirodnog urana, kroz koji prolazi tekućina za hlađenje teškim vodama. Električna energija se stvara prijenosom topline fisije u tešku vodu do rashladne tekućine koja cirkulira kroz generator pare. Para u sekundarnom krugu zatim prolazi kroz obični turbinski ciklus.

Institucije za istraživanje

Za Najčešće se istraživanje nuklearni reaktor, načelo koje se sastoji u upotrebi vode za hlađenje ploče i uranom elemenata u obliku tijela. Osposobljen za rad na širokom rasponu razina snage od nekoliko stotina kilovata na megavata. Budući da proizvodnja električne energije nije primarni cilj istraživanja reaktora, oni se odlikuju toplinske energije proizvedene i gustoće ključnih nominalne energije neutrona. A upravo ti parametri će pomoći da se kvantificirati sposobnost istraživački reaktor za obavljanje posebne studije. Low-power sustavi imaju tendenciju da rade na sveučilištima i koriste za obuku, i velike snage je potrebna u istraživačkim laboratorijima za ispitivanje materijala i karakteristike, kao i za opće istraživanje.

Najčešći istraživački nuklearni reaktor, čija struktura i načela djelovanja su kako slijedi. Njegova aktivna zona nalazi se u donjem dijelu velikog dubokog bazena s vodom. To pojednostavljuje promatranje i postavljanje kanala putem kojih se neutronske zrake mogu usmjeriti. Pri niskim razinama snage, nije potrebno pumpati rashladnu tekućinu, jer za održavanje sigurnog radnog stanja, prirodna konvekcija rashladnog sredstva osigurava dovoljno topline za uklanjanje. Izmjenjivač topline, u pravilu, nalazi se na površini ili u gornjem dijelu bazena, gdje se nakuplja vruća voda.

Instalacije brodova

Izvorni i primarna upotreba nuklearnih reaktora je njihova upotreba u podmornicama. Njihova glavna prednost je u tome što, za razliku od sustava izgaranja fosilnih goriva za proizvodnju električne energije ne zahtijevaju zrak. Slijedom toga, nuklearna podmornica može ostati potopljen za dugo vremena, a konvencionalna podmornica dizel-električni moraju povremeno ispliva na površinu, pokrenuti svoje zračne motore. Nuklearna energija daje stratešku prednost brodovima mornarice. Zbog toga nema potrebe za punjenje goriva u stranim lukama ili iz lako dostupnih tankera.

Razvrstavanje načela rada nuklearnog reaktora na podmornici. Međutim, poznato je da u SAD-u koristi visoko obogaćeni uran, a usporavanje i hlađenje proizvodi lagana voda. Dizajn prvog nuklearnog reaktora USS Nautilus snažno je pod utjecajem snažnih istraživačkih objekata. Njegove jedinstvene značajke predstavljaju vrlo veliku rezervu reaktivnosti, pružajući dugotrajni rad bez napunjenosti gorivom i mogućnost ponovnog pokretanja nakon zaustavljanja. Snaga u podmornicama mora biti vrlo tiha kako bi se izbjeglo otkrivanje. Da bi se zadovoljile specifične potrebe različitih vrsta podmornica, stvoreni su različiti modeli elektrana.

Nositelji zrakoplova američke ratne mornarice koriste nuklearni reaktor, čiji se princip vjeruje da je posuđen od najvećih podmornica. Pojedinosti o njihovom dizajnu također nisu objavljeni.

Osim Sjedinjenih Država, nuklearne podmornice dostupne su u Velikoj Britaniji, Francuskoj, Rusiji, Kini i Indiji. U svakom slučaju, dizajn nije objavljen, ali vjeruje se da su svi vrlo slični - to je posljedica istih zahtjeva za njihovim tehničkim karakteristikama. Rusija također ima malu flotu nuklearni ledolomci, na kojem su instalirani isti reaktori, kao i na sovjetskim podmornicama.

Industrijska postrojenja

Za proizvodnju oružja plutonij-239 Koristi se nuklearni reaktor čiji je princip visoka produktivnost s niskom proizvodnjom energije. To je zbog činjenice da produženi boravak plutonija u jezgri dovodi do akumulacije nepoželjnih ²⁴⁰Pu.

Proizvodnja tricija

Trenutno, glavni materijal dobiven uz pomoć takvih sustava je tritium (³H ili T) je naplata za vodikovih bombi. Plutonij-239 ima dugačak poluživot od 24.100 godina, tako da zemlje s arsenalima nuklearnog oružja koje koriste ovaj element imaju tendenciju da imaju više od neophodne. Za razliku od ²³⁹Pu, poluživot tricija je oko 12 godina. Dakle, radi održavanja potrebnih rezervi, ovaj radioaktivni izotop hidrogena mora se proizvesti kontinuirano. U SAD-u, na rijeci Savannah (Južna Karolina), primjerice, postoji nekoliko reaktora teške vode koja proizvodi tricij.

Plutajuće jedinice snage

Izrađeni su nuklearni reaktori koji mogu osigurati dalekom izoliranom području električnu energiju i parno grijanje. U Rusiji su, primjerice, korištene male elektrane namijenjene servisiranju artičkih naselja. U Kini, 10-MW HTR-10 pogon opskrbljuje toplinu i struju istraživačkom institutu u kojem se nalazi. U Švedskoj i Kanadi u tijeku je razvoj malih, automatski kontroliranih reaktora sličnih sposobnosti. Između 1960. i 1972. godine američka vojska koristila je kompaktne reaktore za vodu radi pružanja udaljenih baza na Grenlandu i Antarktici. Zamijenili su ih crne uljne elektrane.

Osvajanje prostora

Osim toga, reaktori su razvijeni za napajanje i kretanje u vanjskom prostoru. Između 1967. i 1988. Sovjetski savez je instalirao male nuklearne instalacije za satelite serije Cosmos za napajanje opreme i telemetrije, no ta politika postala je meta kritike. Najmanje jedan od tih satelita ušao je u Zemljinu atmosferu, što je rezultiralo radioaktivnim onečišćenjem u udaljenim područjima Kanade. Sjedinjene države pokrenule su 1965. godine samo jedan satelit s nuklearnim reaktorom. Ipak, nastavljaju se razvijati projekti za njihovu primjenu u dugometražnim letovima, upravljanim istraživanjima drugih planeta ili na trajnoj lunarnoj bazi. To će nužno biti nuklearni reaktor koji je hlađen plinom ili tekućim metalima, čiji fizički principi osiguravaju najvišu potrebnu temperaturu kako bi se smanjila veličina radijatora. Osim toga, reaktor za svemirsku tehnologiju trebao bi biti što kompaktniji kako bi se smanjila količina materijala koji se koristi za zaštitu i smanjiti težinu tijekom lansiranja i svemirskog leta. Rezerva goriva će osigurati rad reaktora za cijelo vrijeme leta.