Branduolinio reaktoriaus įtaisas ir veikimo principas yra pagrįsti savaime išsilaikančios branduolinės reakcijos inicijavimu ir valdymu. Jis naudojamas kaip tyrimų priemonė, gaminant radioaktyvius izotopus ir kaip energijos š altinis atominėse elektrinėse.
Branduolinis reaktorius: kaip jis veikia (trumpai)
Čia naudojamas branduolio dalijimosi procesas, kurio metu sunkusis branduolys skyla į du mažesnius fragmentus. Šie fragmentai yra labai sužadintos būsenos ir išskiria neutronus, kitas subatomines daleles ir fotonus. Neutronai gali sukelti naujus skilimus, dėl kurių išsiskiria daugiau neutronų ir pan. Tokia nuolatinė savaime išsilaikanti skilimų serija vadinama grandinine reakcija. Tuo pačiu metu išsiskiria didelis kiekis energijos, kurios gamyba yra atominių elektrinių naudojimo tikslas.
Branduolinio reaktoriaus ir atominės elektrinės veikimo principas yra toks, kad apie 85% dalijimosi energijos išsiskiria per labai trumpą laiką nuo reakcijos pradžios. Likusi dalis gaminamaskilimo produktų radioaktyvaus skilimo rezultatas, kai jie išmetė neutronus. Radioaktyvusis skilimas yra procesas, kurio metu atomas pasiekia stabilesnę būseną. Jis tęsiamas net ir pasibaigus padalijimui.
Atominėje bomboje grandininės reakcijos intensyvumas didėja, kol didžioji medžiagos dalis suskaidoma. Tai įvyksta labai greitai ir sukelia itin galingus tokioms bomboms būdingus sprogimus. Branduolinio reaktoriaus įtaisas ir veikimo principas grindžiami grandininės reakcijos palaikymu kontroliuojamame, beveik pastoviame lygyje. Jis sukurtas taip, kad negalėtų sprogti kaip atominė bomba.
Grandininė reakcija ir kritiškumas
Branduolinio dalijimosi reaktoriaus fizika yra tokia, kad grandininę reakciją nulemia branduolio dalijimosi tikimybė po neutronų emisijos. Jei pastarųjų populiacija sumažės, dalijimosi greitis ilgainiui sumažės iki nulio. Tokiu atveju reaktorius bus subkritinėje būsenoje. Jei neutronų populiacija bus palaikoma pastoviame lygyje, dalijimosi greitis išliks stabilus. Reaktorius bus kritinės būklės. Ir galiausiai, jei laikui bėgant neutronų populiacija didės, padidės dalijimosi greitis ir galia. Šerdis taps superkritiška.
Branduolinio reaktoriaus veikimo principas yra toks. Prieš paleidžiant, neutronų populiacija yra artima nuliui. Tada operatoriai pašalina valdymo strypus iš šerdies, padidindami branduolio dalijimąsi, o tai laikinai virstareaktorius pereina į superkritinę būseną. Pasiekę vardinę galią, operatoriai iš dalies grąžina valdymo strypus, reguliuodami neutronų skaičių. Ateityje reaktorius bus palaikomas kritinės būklės. Kai jį reikia sustabdyti, operatoriai visiškai įkiša strypus. Tai slopina dalijimąsi ir perkelia branduolį į subkritinę būseną.
Reaktorių tipai
Dauguma pasaulio branduolinių įrenginių gamina energiją, generuoja šilumą, reikalingą turbinoms, kurios varo elektros energijos generatorius, sukti. Taip pat yra daug mokslinių tyrimų reaktorių, o kai kurios šalys turi branduolinius povandeninius laivus arba antvandeninius laivus.
Elektrinės
Yra keletas šio tipo reaktorių tipų, tačiau lengvo vandens konstrukcija buvo plačiai pritaikyta. Savo ruožtu jis gali naudoti suslėgtą vandenį arba verdantį vandenį. Pirmuoju atveju aukšto slėgio skystis kaitinamas šerdies šiluma ir patenka į garų generatorių. Ten šiluma iš pirminio kontūro perduodama antrinei, kurioje taip pat yra vandens. Galiausiai susidaręs garas naudojamas kaip darbinis skystis garo turbinos cikle.
Virimo tipo reaktorius veikia tiesioginio energijos ciklo principu. Vanduo, praeinantis per aktyviąją zoną, užvirinamas esant vidutiniam slėgio lygiui. Sotieji garai praeina per keletą separatorių ir džiovyklių, esančių reaktoriaus inde, todėl jie patenka įperkaitinta būsena. Tada perkaitinti vandens garai naudojami kaip darbinis skystis turbinai pasukti.
Aukštos temperatūros dujomis aušinamas
Aukštos temperatūros dujomis aušinamas reaktorius (HTGR) yra branduolinis reaktorius, kurio veikimo principas pagrįstas grafito ir kuro mikrosferų mišinio naudojimu kaip kuru. Yra du konkuruojantys dizainai:
- Vokiška „užpildymo“sistema, kurioje naudojami 60 mm skersmens sferiniai kuro elementai, kurie yra grafito ir kuro mišinys grafito apvalkale;
- Amerikietiška versija grafito šešiakampių prizmių pavidalu, kurios susijungia ir sudaro aktyvią zoną.
Abu atvejais aušinimo skystį sudaro helis, kurio slėgis yra apie 100 atmosferų. Vokiečių sistemoje helis prasiskverbia pro sferinių kuro elementų sluoksnio tarpus, o amerikietiškoje sistemoje – per skylutes grafito prizmėse, esančiose išilgai centrinės reaktoriaus zonos ašies. Abu variantai gali veikti labai aukštoje temperatūroje, nes grafitas pasižymi itin aukšta sublimacijos temperatūra, o helis yra visiškai chemiškai inertiškas. Karštas helis gali būti naudojamas tiesiogiai kaip darbinis skystis dujų turbinoje esant aukštai temperatūrai arba jo šiluma gali būti naudojama vandens ciklo garams generuoti.
Skysto metalo branduolinis reaktorius: schema ir veikimo principas
Greitieji neutroniniai reaktoriai su natrio aušinimo skysčiu sulaukė didelio dėmesio septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose. Tadaatrodė, kad jų gebėjimas atgaminti branduolinį kurą artimiausiu metu buvo būtinas sparčiai besivystančiai branduolinei pramonei kuro gamybai. Kai devintajame dešimtmetyje paaiškėjo, kad šis lūkestis nerealus, entuziazmas išblėso. Tačiau nemažai tokio tipo reaktorių pastatyta JAV, Rusijoje, Prancūzijoje, Didžiojoje Britanijoje, Japonijoje ir Vokietijoje. Dauguma jų veikia urano dioksidu arba jo mišiniu su plutonio dioksidu. Tačiau Jungtinėse Valstijose didžiausią pasisekimą pavyko pasiekti naudojant metalinį kurą.
CANDU
Kanada sutelkė savo pastangas į reaktorius, kuriuose naudojamas natūralus uranas. Tai pašalina poreikį ją praturtinti pasitelkti kitų šalių paslaugas. Šios politikos rezultatas buvo deuterio-urano reaktorius (CANDU). Valdymas ir aušinimas jame atliekamas sunkiu vandeniu. Branduolinio reaktoriaus įtaisas ir veikimo principas – naudoti rezervuarą su š altu D2O esant atmosferos slėgiui. Šerdį perveria vamzdžiai, pagaminti iš cirkonio lydinio su natūralaus urano kuru, per kuriuos sunkusis vanduo jį vėsina. Elektra gaminama perduodant skilimo šilumą sunkiajame vandenyje į aušinimo skystį, kuris cirkuliuoja per garų generatorių. Tada antrinėje grandinėje esantis garas praeina per įprastą turbinos ciklą.
Tyrimo įrenginiai
Moksliniams tyrimams dažniausiai naudojamas branduolinis reaktorius, kurio principas – naudoti vandens aušinimą irlameliniai urano kuro elementai mazgų pavidalu. Gali veikti įvairiais galios lygiais – nuo kelių kilovatų iki šimtų megavatų. Kadangi elektros energijos gamyba nėra pagrindinė mokslinių tyrimų reaktorių užduotis, jiems būdinga generuojama šiluminė energija, tankis ir neutronų nominali energija aktyvioje erdvėje. Būtent šie parametrai padeda kiekybiškai įvertinti mokslinių tyrimų reaktoriaus galimybes atlikti konkrečias apklausas. Mažos galios sistemos paprastai naudojamos universitetuose mokymo tikslais, o didelės galios sistemos reikalingos MTEP laboratorijose medžiagų ir našumo bandymams bei bendriesiems tyrimams.
Dažniausiai paplitęs mokslinių tyrimų branduolinis reaktorius, kurio struktūra ir veikimo principas yra tokie. Jo aktyvioji zona yra didelio gilaus vandens baseino dugne. Tai supaprastina kanalų, kuriais galima nukreipti neutronų pluoštus, stebėjimą ir išdėstymą. Esant mažam galios lygiui, nereikia išleisti aušinimo skysčio, nes natūrali aušinimo skysčio konvekcija užtikrina pakankamą šilumos išsiskyrimą, kad būtų išlaikyta saugi eksploatavimo sąlyga. Šilumokaitis paprastai yra baseino paviršiuje arba viršuje, kur kaupiasi karštas vanduo.
Laivų įrengimas
Pirminis ir pagrindinis branduolinių reaktorių panaudojimas yra povandeniniuose laivuose. Pagrindinis jų pranašumas yrakad priešingai nei iškastinio kuro deginimo sistemoms, joms elektros energijai gaminti nereikia oro. Todėl branduolinis povandeninis laivas gali likti panardintas ilgą laiką, o įprastas dyzelinis-elektrinis povandeninis laivas turi periodiškai pakilti į paviršių, kad ore užvestų variklius. Branduolinė energija suteikia strateginį pranašumą karinio jūrų laivyno laivams. Tai pašalina poreikį papildyti degalus užsienio uostuose arba iš pažeidžiamų tanklaivių.
Branduolinio reaktoriaus veikimo povandeniniame laive principas yra įslaptintas. Tačiau žinoma, kad JAV jame naudojamas labai prisodrintas uranas, o lėtėjimą ir aušinimą atlieka lengvas vanduo. Pirmojo branduolinio povandeninio laivo USS Nautilus reaktoriaus konstrukcijai didelę įtaką padarė galingi tyrimų įrenginiai. Jo išskirtinės savybės yra labai didelė reaktyvumo riba, kuri užtikrina ilgą veikimo laikotarpį be degalų papildymo ir galimybę paleisti iš naujo po sustojimo. Povandeninio laivo elektrinė turi veikti labai tyliai, kad būtų išvengta aptikimo. Siekiant patenkinti specifinius skirtingų klasių povandeninių laivų poreikius, buvo sukurti skirtingi elektrinių modeliai.
JAV karinio jūrų laivyno lėktuvnešiai naudoja branduolinį reaktorių, kurio veikimo principas, kaip manoma, pasiskolintas iš didžiausių povandeninių laivų. Išsami informacija apie jų dizainą taip pat nebuvo paskelbta.
Be JAV, JK, Prancūzija, Rusija, Kinija ir Indija turi branduolinius povandeninius laivus. Kiekvienu atveju dizainas nebuvo atskleistas, tačiau manoma, kad jie visi labai panašūs – taiyra tų pačių reikalavimų jų techninėms charakteristikoms pasekmė. Rusija taip pat turi nedidelį branduoliniais ledlaužiais varomų ledlaužių parką, kurių reaktoriai tokie patys kaip sovietų povandeninių laivų.
Pramoniniai įrenginiai
Ginkliniam plutoniui-239 gaminti naudojamas branduolinis reaktorius, kurio principas – didelis našumas ir mažas energijos gamybos lygis. Taip yra dėl to, kad ilgas plutonio buvimas šerdyje sukelia nepageidaujamų 240Pu.
Tričio gamyba
Šiuo metu pagrindinė tokių sistemų medžiaga yra tritis (3H arba T), vandenilinių bombų užtaisas. Plutonis-239 pusinės eliminacijos laikas yra 24 100 metų, todėl šalys, turinčios branduolinių ginklų arsenalus, naudojančius šį elementą, paprastai turi daugiau jo nei reikia. Skirtingai nuo 239Pu, tričio pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 12 metų. Taigi, norint išlaikyti reikiamas atsargas, šis radioaktyvusis vandenilio izotopas turi būti gaminamas nuolat. Pavyzdžiui, JAV Savannah upėje, Pietų Karolinoje, yra keli sunkiojo vandens reaktoriai, gaminantys tritį.
Plaukiojantys jėgos blokai
Sukurti branduoliniai reaktoriai, galintys aprūpinti elektra ir garu šildyti atokias izoliuotas vietoves. Pavyzdžiui, Rusijoje rado taikymąmažos elektrinės, specialiai sukurtos aptarnauti Arkties bendruomenes. Kinijoje 10 MW HTR-10 elektrinė tiekia šilumą ir energiją tyrimų institutui, kuriame ji yra. Maži valdomi panašių pajėgumų reaktoriai kuriami Švedijoje ir Kanadoje. 1960–1972 metais JAV kariuomenė naudojo kompaktiškus vandens reaktorius, kad aprūpintų atokias bazes Grenlandijoje ir Antarktidoje. Jas pakeitė nafta kūrenamos elektrinės.
Kosmoso tyrinėjimai
Be to, buvo sukurti reaktoriai, skirti energijos tiekimui ir judėjimui kosmose. 1967–1988 m. Sovietų Sąjunga kosmoso palydovuose įrengė nedidelius branduolinius įrenginius įrangai ir telemetrijai maitinti, tačiau ši politika tapo kritikos taikiniu. Bent vienas iš šių palydovų pateko į Žemės atmosferą, todėl atokios Kanados vietovės buvo užterštos radioaktyviomis medžiagomis. 1965 metais JAV paleido tik vieną branduolinį palydovą. Tačiau toliau kuriami projektai, skirti jų panaudojimui skrydžiams į gilią erdvę, pilotuojamam kitų planetų tyrinėjimui ar nuolatinėje Mėnulio bazėje. Tai būtinai bus dujomis aušinamas arba skysto metalo branduolinis reaktorius, kurio fizikiniai principai užtikrins aukščiausią įmanomą temperatūrą, reikalingą radiatoriaus dydžiui sumažinti. Be to, kosminis reaktorius turi būti kuo kompaktiškesnis, kad būtų kuo mažiau sunaudojamos medžiagosekranuoti ir sumažinti svorį paleidimo ir skrydžio į kosmosą metu. Kuro rezervas užtikrins reaktoriaus darbą visą skrydžio į kosmosą laikotarpį.
