847 Shares 6474 views

Reaktor jądrowy: zasada działania, urządzenie i obwód

Projekt i działanie reaktora jądrowego opierają się na inicjalizacji i kontrolowaniu samowystarczalnej reakcji jądrowej. Jest wykorzystywany jako narzędzie badawcze, do produkcji radioaktywnych izotopów i jako źródło energii dla elektrowni jądrowych.


Reaktor jądrowy: zasada działania (krótko)

Tutaj stosuje się proces rozszczepienia jądra, w którym ciężki jądro rozkłada się na dwa mniejsze fragmenty. Te fragmenty są w bardzo podekscytowanym stanie i emitują neutrony, inne subatomowe cząstki i fotony. Neutrony mogą powodować nowe wyładowania, w wyniku czego są znacznie bardziej promieniowane, i tak dalej. Taka ciągła samowystarczalna seria podziałów nazywana jest reakcją łańcuchową. Równocześnie przydzielana jest duża ilość energii, której produkcja ma na celu wykorzystanie elektrowni jądrowych.

Zasada działania reaktora jądrowego i elektrowni atomowej jest taka, że kolonia 85% energii cięcia zostaje uwolniona w bardzo krótkim okresie czasu po rozpoczęciu reakcji. Resztę wytwarza się w wyniku rozpadu promieniotwórczego produktów rozszczepienia, po wyemitowaniu neutronów. Rozpad promieniotwórczy jest procesem, w którym atom osiąga stan bardziej stabilny. Trwa to po zakończeniu podziału.

W bombie atomowej reakcja łańcuchowa zwiększa intensywność, aż większość materiału zostanie rozdzielona. Dzieje się tak bardzo szybko, wytwarzając niezwykle potężne wybuchy, typowe dla takich bomb. Projekt i eksploatacja reaktora jądrowego opiera się na utrzymaniu reakcji łańcuchowej na uregulowanym, prawie stałym poziomie. Został zaprojektowany w taki sposób, że nie może eksplodować jak bomba atomowa.

Reakcja łańcuchowa i krytyczność

Fizyka reaktora rozszczepienia jądrowego polega na tym, że reakcja łańcuchowa jest określana przez prawdopodobieństwo rozszczepienia jądra po emisji neutronów. Jeśli populacja tego ostatniego maleje, wówczas wskaźnik rozszczepienia w końcu spada do zera. W takim przypadku reaktor będzie w stanie podkrytycznym. Jeśli populacja neutronów utrzymywana jest na stałym poziomie, to współczynnik rozszczepienia pozostanie stabilny. Reaktor będzie w stanie krytycznym. I wreszcie, jeśli populacja neutronów wzrasta wraz z upływem czasu, szybkość i moc rozszczepienia wzrosną. Stan rdzenia staje się nadkrytyczny.

Zasada działania reaktora jądrowego jest następująca. Przed jego uruchomieniem populacja neutronów jest bliska zeru. Następnie operatorzy usuwają pręty sterujące z rdzenia, zwiększając rozszczepienie jąder, czasowo przesuwając reaktor do stanu nadkrytycznego. Po osiągnięciu mocy znamionowej operatorzy częściowo zwracają pręty sterujące, regulując liczbę neutronów. W przyszłości reaktor jest utrzymywany w stanie krytycznym. Kiedy trzeba je zatrzymać, operatorzy wstawiają pręty całkowicie. To tłumi podział i przenosi aktywną strefę do stanu podkrytycznego.

Rodzaje reaktorów

Większość istniejących instalacji jądrowych na świecie to generujące energię ciepło niezbędne do obracania turbin, które poruszają się w ruchu generatorów energii elektrycznej. Istnieje również wiele reaktorów badawczych, a niektóre kraje mają okręty podwodne lub okrętowe, napędzane energią atomu.

Elektrownie

Istnieje kilka rodzajów reaktorów tego typu, ale konstrukcja na lekkiej wodzie znalazła szerokie zastosowanie. Z kolei może używać wody pod ciśnieniem lub wrzącej wody. W pierwszym przypadku ciecz pod wysokim ciśnieniem jest podgrzewana przez ciepło rdzenia i wchodzi do generatora pary. Tam ciepło z obiegu pierwotnego jest przenoszone do obwodu wtórnego, również zawierającego wodę. W końcowej analizie para służy jako płyn roboczy w cyklu turbiny parowej.

Reaktor wrzący działa na zasadzie bezpośredniego cyklu energetycznego. Woda, przechodząca przez aktywną strefę, doprowadza się do wrzenia przy średnim poziomie ciśnienia. Nasycona para przechodzi przez szereg separatorów i suszarek umieszczonych w reaktorze, co prowadzi do przegrzania. Następnie jako płyn roboczą obracający turbinę stosuje się przegrzaną parę wodną.

Wysoka temperatura z chłodzeniem gazowym

Reaktor chłodzony wysokotemperaturowym gazem (HTGR) jest reaktorem jądrowym, którego podstawą jest oparta na wykorzystaniu mieszanki grafitu i mikrosfer paliwa jako paliwa. Są dwa konkurencyjne wzory:

  • Niemiecki system "zasiewu", który wykorzystuje sferyczne ogniwa paliwowe o średnicy 60 mm, która jest mieszaniną grafitu i paliwa w powłokę grafitową;
  • Amerykański wariant w postaci grafitowych pryzmatów sześciobocznych, które przylegają, tworząc strefę aktywną.

W obu przypadkach ciecz chłodząca składa się z helu pod ciśnieniem około 100 atmosfer. W niemieckim systemie hel przechodzi przez szczeliny w warstwie kulistych ogniw paliwowych iw amerykańskim systemie, przez otwory w pryzmatach grafitowych usytuowanych wzdłuż osi centralnej strefy reaktora. Oba warianty mogą pracować w bardzo wysokich temperaturach, ponieważ grafit ma bardzo wysoką temperaturę sublimacji, a hel jest całkowicie chemicznie obojętny. Gorące hel można stosować bezpośrednio jako płyn roboczy w turbinie gazowej w wysokiej temperaturze, lub jego ciepło może być użyte do wytworzenia pary wodnej cyklu.

Reaktor z cieczą: schemat i zasada działania

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych szczególną uwagę poświęcono reaktorom na szybkie neutrony z chłodzeniem sodowym. Potem wydawało się, że ich zdolność odtworzenia paliwa jądrowego w najbliższej przyszłości jest niezbędna do produkcji paliwa dla szybko rozwijającego się przemysłu jądrowego. Kiedy w latach 80. stało się jasne, że to oczekiwanie było nierealistyczne, zapętlono entuzjazm. Jednak wiele reaktorów tego typu zbudowano w USA, Rosji, Francji, Wielkiej Brytanii, Japonii i Niemczech. Większość z nich pracuje nad dwutlenkiem uranu lub jego mieszaniną z dwutlenkiem plutonu. W Stanach Zjednoczonych największy sukces osiągnięto dzięki paliwom metalicznym.

CANDU

Kanada skoncentrowała swoje wysiłki na reaktorach używających naturalnego uranu. To eliminuje potrzebę wzbogacenia się uciekania się do usług innych krajów. Rezultatem tej polityki był reaktor deuterowo-uranowy (CANDU). Kontrola i chłodzenie w niej jest produkowane przez ciężką wodę. Urządzenie i zasada działania reaktora jądrowego polegają na użyciu zbiornika zimnego D2O pod ciśnieniem atmosferycznym. Aktywna strefa jest przenikana rurkami stopu cyrkonu z paliwem z naturalnego uranu, przez co cyrkuluje ciężka woda chłodząca. Energia elektryczna wytwarzana jest przez przenoszenie ciepła rozszczepu w ciężkiej wodzie do płynu chłodzącego, który krąży przez generator pary. Para w obwodzie wtórnym przechodzi przez zwykły cykl turbin.

Instalacje badawcze

Prowadzenie badań naukowych, najczęściej stosowanych reaktorów jądrowych, których zasadą jest wykorzystanie chłodziarki wody i podobnych do płytek ogniw paliwowych uranu w postaci zespołów. Może pracować w szerokim zakresie poziomów mocy, od kilku kilowatów do setek megawatów. Ponieważ wytwarzanie energii elektrycznej nie jest głównym zadaniem reaktorów badawczych, charakteryzują się wytwarzaną energią cieplną, gęstością i nominalną energią neutronów rdzeniowych. To właśnie te parametry pomagają skwantyfikować zdolność reaktora badawczego do prowadzenia konkretnych dochodzeń. Systemy o małej mocy działają zazwyczaj na uniwersytetach i są wykorzystywane do treningu, a laboratoria badawcze potrzebują dużej mocy do testowania materiałów i charakterystyk oraz do badań ogólnych.

Najczęściej spotykanym reaktorem badawczym, którego konstrukcja i zasada działania są następujące. Jego aktywna strefa znajduje się w dolnej części dużej głębokiej umywalki z wodą. Upraszcza to obserwację i rozmieszczenie kanałów, przez które można kierować wiązki neutronów. Przy niskich poziomach zasilania nie jest konieczne napełnianie płynu chłodzącego, ponieważ w celu zachowania bezpiecznego stanu roboczego naturalna konwekcja chłodziwa zapewnia wystarczające usunięcie ciepła. Wymiennik ciepła z reguły znajduje się na powierzchni lub w górnej części basenu, gdzie gromadzi się gorąca woda.

Instalacje okrętowe

Pierwszym i głównym zastosowaniem reaktorów jądrowych jest ich zastosowanie w okrętach podwodnych. Ich główną zaletą jest to, że w przeciwieństwie do systemów spalania paliw kopalnych, nie potrzebują powietrza do wytwarzania energii elektrycznej. W konsekwencji atomowa łódź podwodna może pozostać zanurzona przez długi czas, a konwencjonalna łódź podwodna z silnikiem Diesla musi okresowo wyrastać na powierzchnię, aby uruchomić silniki w powietrzu. Energia jądrowa daje strategiczne korzyści statkom marynarki wojennej. Z tego powodu nie ma potrzeby tankowania w obcych portach lub łatwo narażonych tankowców.

Zasadą działania reaktora jądrowego na łodzi podwodnej jest klasyfikacja. Wiadomo jednak, że w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje on wysoko wzbogacony uran, podczas gdy spowolnienie i chłodzenie są wytwarzane przez lekką wodę. Projekt pierwszego reaktora jądrowego USS Nautilus podmorskim był silnie uzależniony od potężnych ośrodków badawczych. Jego unikalne cechy to bardzo duża rezerwa reaktywności, zapewniająca długi okres bez tankowania i możliwość ponownego uruchomienia po zatrzymaniu. Elektrownia w łodziach podwodnych musi być bardzo cicha, aby uniknąć wykrycia. Aby zaspokoić specyficzne potrzeby różnych klas łodzi podwodnych, powstały różne modele elektrowni.

Przewoźnicy lotnictwa z USA korzystają z reaktora jądrowego, którego podstawę operacyjną uważa się za wypożyczoną z największych okrętów podwodnych. Szczegóły ich projektu nie zostały opublikowane.

Oprócz Stanów Zjednoczonych łodzie podwodne są dostępne w Wielkiej Brytanii, Francji, Rosji, Chinach i Indiach. W każdym przypadku projekt nie został ujawniony, ale uważa się, że są one bardzo podobne – wynika to z tych samych wymagań dotyczących ich cech technicznych. Rosja ma również małą flotę nuklearnych lodołamaczy, na których zainstalowano te same reaktory, jak na radzieckim okręcie podwodnym.

Rośliny przemysłowe

Do produkcji broni palnej plutonu-239 stosowany jest reaktor jądrowy, którego zasadą działania jest wysoka produktywność przy niskim poziomie produkcji energii. Wynika to z faktu, że przedłużony pobyt plutonu w rdzeniu prowadzi do nagromadzenia niepożądanego 240 Pu.

Produkcja trytu

Obecnie głównym materiałem uzyskiwanym przez takie systemy jest tryt ( 3 H lub T) – ładunek na bomby wodorowe. Pluton-239 ma długi okres półtrwania 24 100 lat, więc kraje z arsenałami broni nuklearnej, które używają tego pierwiastka, wydają się mieć więcej niż to konieczne. W przeciwieństwie do 239 Pu, okres półtrwania trytu wynosi około 12 lat. Tak więc, w celu utrzymania niezbędnych rezerw, ten radioaktywny izotop wodoru musi być wytwarzany w sposób ciągły. W Stanach Zjednoczonych, w Savannah River (na południu Karoliny), na przykład jest kilka reaktorów ciężkich, które produkują tryt.

Pływające jednostki napędowe

Reaktory jądrowe zostały zbudowane, które mogą zapewnić izolowane obszary izolacji z ogrzewaniem elektrycznym i parowym. W Rosji użyto małych elektrowni specjalnie zaprojektowanych do obsługi osiedli arktycznych. W Chinach 10-megabajtowy obiekt HTR-10 dostarcza ciepło i prąd do instytutu badawczego, w którym się znajduje. W Szwecji i Kanadzie trwają prace nad małymi, sterowanymi automatycznie reaktorami o podobnych zdolnościach. W latach 1960 i 1972 armia USA używała kompaktowych reaktorów wodnych w celu zapewnienia odległych baz w Grenlandii i Antarktyce. Zostały zastąpione przez czarne elektrownie naftowe.

Podbój przestrzeni

Ponadto, reaktory zostały opracowane pod kątem zasilania i ruchu w kosmosie. W latach 1967 i 1988 Związek Radziecki zainstalował małe instalacje jądrowe dla satelitów serii Cosmos do zasilania urządzeń i telemetrii, ale ta polityka stała się celem krytyki. Przynajmniej jeden z tych satelitów wszedł do atmosfery Ziemi, powodując radioaktywne skażenie w odległych rejonach Kanady. W 1965 r. Stany Zjednoczone uruchomiły tylko jeden satelit z reaktorem jądrowym. W dalszym ciągu rozwijane są jednak projekty dotyczące ich wykorzystania w misjach kosmicznych na dalekie odległości, prowadzone badania nad innymi planetami lub na stałe bazę księżycową. Będzie to koniecznie reaktor jądrowy chłodzony gazem lub ciecz-metal, którego fizyczne zasady zapewnią najwyższą możliwą temperaturę niezbędną do zminimalizowania wielkości grzejnika. Ponadto reaktor do technologii kosmicznej powinien być jak najmniejszy, aby zminimalizować ilość materiału użytego do osłony i zmniejszyć ciężar podczas lotu wylotowego i kosmicznego. Rezerwy paliwowe zapewnią operację reaktora przez cały okres lotu kosmicznego.