Нуклеарен реактор: принцип на работа, уред и коло

Дизајнот и работата на нуклеарниот реактор се засноваат на иницијализација и контрола на самоодржлива нуклеарна реакција. Се користи како истражувачка алатка за производство на радиоактивни изотопи и како извор на енергија за нуклеарни централи.

Нуклеарен реактор: принципот на работа (кратко)

Тука се користи процесот на нуклеарна фисија, во кој тешката јадро се распаѓа на два помали фрагменти. Овие фрагменти се во многу возбудена состојба и испуштаат неутрони, други субатомски честички и фотони. Неутроните можат да предизвикаат нови фуми, поради што се зрачат уште повеќе, и така натаму. Таквата континуирана самоодржлива серија на разделување се нарекува верижна реакција. Во исто време, се распределува голема количина на енергија, чие производство е целта на користење на нуклеарни централи.

Принципот на работа на нуклеарен реактор и атомска централа е таков што колонијата од 85% од расцепната енергија се ослободува во многу краток временски период по почетокот на реакцијата. Остатокот се произведува како резултат на радиоактивното распаѓање на фитилните производи, откако испуштаат неутрони. Радиоактивното распаѓање е процес во кој атомот достигнува постабилна состојба. Таа продолжува по завршувањето на поделбата.

Во атомска бомба, верижната реакција го зголемува својот интензитет додека поголемиот дел од материјалот не се подели. Ова се случува многу брзо, произведувајќи исклучително моќни експлозии, типични за такви бомби. Дизајнот и работата на нуклеарниот реактор се засноваат на одржување на верижна реакција на регулирано, речиси постојано ниво. Тој е дизајниран на таков начин што не може да експлодира како атомска бомба.

Реакција на синџири и критичност

Физиката на реакторот за нуклеарна фисија е дека ланецната реакција е одредена од веројатноста за поделба на јадрото по емисијата на неутроните. Ако популацијата на второто се намалува, тогаш стапката на фисија на крајот падне на нула. Во овој случај, реакторот ќе биде во субкритична состојба. Ако населението на неутроните се одржува на константно ниво, тогаш стапката на фисија останува стабилна. Реакторот ќе биде во критична состојба. И, конечно, ако популацијата на неутроните се зголемува со текот на времето, стапката на фисија и моќноста ќе се зголемат. Состојбата на јадрото станува суперкритична.

Оперативниот принцип на нуклеарниот реактор е како што следува. Пред неговото лансирање, популацијата на неутроните е близу до нула. Операторите потоа ги отстрануваат контролните прачки од јадрото, ја зголемуваат фисија на јадрата, привремено префрлувајќи го реакторот во суперкритична состојба. По постигнување на номиналната моќност, операторите делумно ги враќаат контролните шипки, регулирајќи го бројот на неутрони. Во иднина, реакторот се одржува во критична состојба. Кога треба да се запре, операторите целосно ги вметнуваат прачките. Ова ја потиснува поделбата и ја движи активната зона на субкритична состојба.

Видови на реактори

Поголемиот дел од постојните нуклеарни инсталации во светот се топлината што произведува енергија, неопходна за ротација на турбините, кои ги поставуваат во движење електричните генератори. Исто така, постојат многу истражувачки реактори, а некои земји имаат подморници или површински бродови управувано од енергијата на атомот.

Електрани

Постојат неколку типови реактори од овој тип, но изградбата на лесна вода има широка примена. За возврат, може да се користи вода под притисок или вода што врие. Во првиот случај, течноста под висок притисок се загрева со топлината на јадрото и влегува во генераторот на пареа. Таму, топлината од примарното коло се пренесува на секундарното коло, кое исто така содржи вода. Генерирана во финалната анализа, пареа служи како работна течност во циклусот на парна турбина.

Реакторот со вриење работи на принципот на директен енергетски циклус. Водата, минувајќи низ активната зона, се доведува до вриење со просечно ниво на притисок. Заситената пареа поминува низ серија од сепаратори и сушачи кои се наоѓаат во реакторот, што доведува до прегреана состојба. Прегреената водена пареа потоа се користи како работна течност што ја ротира турбината.

Висока температура со ладење на гас

Реакторот со ладен гас со висока температура (HTGR) е нуклеарен реактор, чиј принцип се заснова на употреба на мешавина од графит и горивни микросфери како гориво. Постојат два натпреварувачки дизајни:

• Германски "backfill" систем, кој користи сферични горивни ќелии со дијаметар од 60 mm, што претставува мешавина од графит и гориво во графитна обвивка;
• Американска варијанта во форма на графит хексагонални призми, кои се придржуваат, создавајќи активна зона.

Во двата случаи, течноста за ладење се состои од хелиум под притисок од околу 100 атмосфери. Во германскиот систем, хелиумот поминува низ празнини во слој од сферични горивни ќелии, а во американскиот систем преку дупки во графитни призми лоцирани долж оската на централната зона на реакторот. Двете варијанти можат да работат на многу високи температури, бидејќи графитот има исклучително висока сублимациона температура, а хелиумот е комплетно хемиски инертен. Топол хелиум може да се користи директно како работна течност во гасна турбина при висока температура, или нејзината топлина може да се користи за да се генерира пареа од циклусот на водата.

Течен метален реактор: Шема и принцип на работа

Реакторите на брзите неутрони со натриумска течност за ладење добија големо внимание во 1960-тите и 1970-тите години. Тогаш се чинеше дека нивната способност за репродукција на нуклеарно гориво во блиска иднина е неопходна за производство на гориво за брзорастечката нуклеарна индустрија. Кога во 1980-тите стана јасно дека ова очекување е нереално, ентузијазмот беше изгаснат. Сепак, голем број реактори од овој тип се изградени во САД, Русија, Франција, Велика Британија, Јапонија и Германија. Повеќето од нив работат на ураниум диоксид или неговата мешавина со плутониум диоксид. Меѓутоа, во САД, најголем успех беше постигнат со метални горива.

CANDU

Канада ги фокусираше своите напори на реакторите кои користат природен ураниум. Ова ја елиминира потребата за негово збогатување да се прибегне кон услугите на други земји. Резултат на оваа политика беше реакторот на деутериум-ураниум (CANDU). Контрола и ладење во него се произведува од тешка вода. Уредот и принципот на работа на нуклеарниот реактор се состои во употреба на резервоар со студ D ₂ O при атмосферски притисок. Активната зона е проткаена со цевки од легура на циркониум со гориво од природен ураниум, преку кој циркулира тешката вода. Електричната енергија се произведува со пренесување на топлината на фисија во тешка вода до течност за ладење која циркулира низ генераторот на пареа. Пареата во средното коло потоа поминува низ обичен турбински циклус.

Истражувачки инсталации

Да се спроведат научни истражувања, најчесто користени нуклеарни реактори, чиј принцип е користење на вода за ладење и пластични ураниумски горивни ќелии во форма на склопови. Може да работи во широк спектар на степени на енергија, од неколку киловати до стотици мегавати. Бидејќи производството на електрична енергија не е главна задача на истражувачките реактори, тие се карактеризираат со генерирана топлинска енергија, густина и номинална енергија на јадрото неутрони. Овие параметри помагаат да се квантифицира способноста на истражувачкиот реактор да спроведе конкретни истражувања. Ниско-енергетските системи имаат тенденција да функционираат на универзитетите и се користат за обука, а потребна е голема моќ во истражувачките лаборатории за тестирање на материјали и карактеристики и за општо истражување.

Најчест истражувачки нуклеарен реактор, структура и принцип на работа на кои се како што следува. Нејзината активна зона се наоѓа во долниот дел на голем длабок базен со вода. Ова го поедноставува набљудувањето и поставувањето на каналите преку кои може да се насочат неутронските зраци. При ниски нивоа на моќност, не е неопходно да се исфрли течноста за ладење, бидејќи со цел да се одржи безбедна работна состојба, природна конвекција на течноста за ладење обезбедува доволна отстранување на топлина. Разменувачот на топлина, како по правило, се наоѓа на површината или во горниот дел на сливот, каде што се акумулира топла вода.

Бродски инсталации

Почетната и главната примена на нуклеарните реактори е нивната употреба во подморници. Нивната главна предност е тоа што, за разлика од системите за согорување на фосилни горива, не им требаат воздух за да генерираат електрична енергија. Следствено, атомска подморница може да остане потопена долго време, а конвенционалната дизел-електрична подморница периодично треба да се искачи на површината со цел да ги почне своите мотори во воздухот. Нуклеарната енергија дава стратешка предност на поморски бродови. Поради тоа нема потреба да гориво во странски пристаништа или од лесно ранливи танкери.

Принципот на работа на нуклеарен реактор на подморница е класифициран. Меѓутоа, познато е дека во САД користи високо збогатен ураниум, додека забавувањето и ладењето се произведуваат со лесна вода. Дизајнот на првиот нуклеарен подморница реактор USS Nautilus беше под силно влијание на моќните истражувачки капацитети. Неговите уникатни карактеристики се многу голем резерват на реактивност, обезбедувајќи долг период на работа без гориво и можност за рестартирање по запирање. Моќната станица во подморниците мора да биде многу тивка за да се избегне детекција. За да се задоволат специфичните потреби на различни класи на подморници, се создадоа различни модели на електрични централи.

Носачите на авиони на американската морнарица користат нуклеарен реактор, чиј оперативен принцип се верува дека е позајмен од најголемите подморници. Деталите за нивниот дизајн исто така не беа објавени.

Во прилог на САД, нуклеарните подморници се достапни во Велика Британија, Франција, Русија, Кина и Индија. Во секој случај, дизајнот не беше обелоденет, но се верува дека сите се многу слични - ова е резултат на истите барања за нивните технички карактеристики. Русија, исто така, има мала флота на нуклеарни леденици, на кои се поставени истите реактори, како и на советските подморници.

Индустриски растенија

За производство на плутониум-239 со оружје, се користи нуклеарен реактор, чиј оперативен принцип е висока продуктивност со ниско ниво на производство на енергија. Ова се должи на фактот дека продолжениот престој на плутониум во јадрото доведува до акумулација на несакано ²⁴⁰ Pu.

Производство на тритиум

Во моментов, главниот материјал добиен од такви системи е тритиум ( ³ H или Т) - задолжен за водородните бомби. Плутониум-239 има долг полуживот од 24.100 години, така што земјите со арсенали на нуклеарно оружје кои го користат овој елемент имаат тенденција да имаат повеќе отколку што е потребно. За разлика од ²³⁹ Pu, полуживотот на тритиум е околу 12 години. Така, за да се одржат потребните резерви, овој радиоактивен изотоп на водородот мора постојано да се произведува. Во САД, во Савана (Јужна Каролина), на пример, постојат неколку тешки реактори за производство на тритиум.

Пловечки енергетски единици

Изработени се нуклеарни реактори кои можат да обезбедат далечни изолирани области со електрична енергија и пареа. Во Русија, на пример, се користеа мали електрани специјално дизајнирани за сервисирање на арктички населби. Во Кина, ХТР-10 капацитет од 10 мегавати обезбедува топлина и електрична енергија за истражувачкиот институт во кој се наоѓа. Развојот на мали, автоматски контролирани реактори со слични способности е во тек во Шведска и Канада. Помеѓу 1960 и 1972 година, американската армија користела компактни водни реактори за да обезбеди далечни бази во Гренланд и Антарктикот. Тие беа заменети со централи за црно масло.

Освојување на просторот

Покрај тоа, реактори беа развиени за напојување и движење во вселената. Помеѓу 1967 и 1988 година, Советскиот Сојуз инсталираше мали нуклеарни инсталации за сателитите од серијата Космос за опремување на опрема и телеметрија, но оваа политика стана мета на критики. Најмалку еден од овие сателити влезе во атмосферата на Земјата, што резултираше со радиоактивна контаминација во оддалечените области на Канада. Соединетите Држави започнаа само еден сателит со нуклеарен реактор во 1965 година. Сепак, продолжуваат да се развиваат проекти за нивна употреба во далечни вселенски мисии, екипирани студии на други планети или на постојана лунарна база. Ова неопходно ќе биде нуклеарен реактор со ладен гас или течен метал, чии физички принципи ќе обезбедат највисока можна температура потребна за да се минимизира големината на радијаторот. Покрај тоа, реакторот за вселенска технологија треба да биде што е можно покомпактен, со цел да се минимизира количината на материјал што се користи за заштита и да се намали тежината за време на лансирањето и просторот. Резервоарот за гориво ќе обезбеди работа на реакторот за целиот период на вселенскиот лет.