الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النوويتستند إلى بدء والتحكم في تفاعل نووي مكتفي ذاتيًا. يتم استخدامه كأداة بحث ، لإنتاج النظائر المشعة ، وكمصدر للطاقة لمحطات الطاقة النووية.
المفاعل النووي: مبدأ التشغيل (باختصار)
يتم استخدام عملية انشطار النوى هنا ، معحيث تنقسم النواة الثقيلة إلى جزأين أصغر. هذه الشظايا في حالة شديدة الإثارة وتصدر نيوترونات وجسيمات دون ذرية وفوتونات. يمكن للنيوترونات أن تسبب انشقاقات جديدة ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق المزيد منها ، وهكذا. تسمى هذه السلسلة المستمرة وذاتية الاستدامة من الانقسامات بالتفاعل المتسلسل. في الوقت نفسه ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، يكون إنتاجها هو الغرض من استخدام محطة الطاقة النووية.
مبدأ تشغيل المفاعل النووي والذرييتم إطلاق حوالي 85٪ من طاقة الانشطار خلال فترة زمنية قصيرة جدًا بعد بدء التفاعل. يتم إنشاء الباقي من خلال التحلل الإشعاعي لنواتج الانشطار بعد إصدارها للنيوترونات. التحلل الإشعاعي هو العملية التي تصل بها الذرة إلى حالة أكثر استقرارًا. يستمر بعد الانتهاء من التقسيم.
في القنبلة الذرية ، يزيد التفاعل المتسلسلشدة حتى يتم تقسيم معظم المواد. يحدث هذا بسرعة كبيرة ، مما ينتج عنه انفجارات قوية للغاية نموذجية لمثل هذه القنابل. يعتمد الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي على الحفاظ على تفاعل متسلسل عند مستوى ثابت ومحكم تقريبًا. إنه مصمم بطريقة لا يمكن أن تنفجر مثل القنبلة الذرية.
رد الفعل المتسلسل والحرجية
فيزياء مفاعل الانشطار النوويأن التفاعل المتسلسل يتحدد باحتمالية الانشطار النووي بعد انبعاث النيوترونات. إذا انخفض عدد سكان هذا الأخير ، فإن معدل الانقسام سينخفض في النهاية إلى الصفر. في هذه الحالة ، سيكون المفاعل في حالة دون حرجة. إذا ظل تعداد النيوترونات ثابتًا ، فسيظل معدل الانشطار مستقرًا. سيكون المفاعل في حالة حرجة. وأخيرًا ، إذا نما عدد النيوترونات بمرور الوقت ، فسوف يزداد معدل الانشطار والطاقة. ستصبح الحالة الأساسية فوق حرجة.
مبدأ تشغيل المفاعل النووي هو على النحو التالي. قبل إطلاقه ، كان عدد النيوترونات قريبًا من الصفر. يقوم المشغلون بعد ذلك بإزالة قضبان التحكم من القلب ، مما يزيد الانشطار النووي ، مما يضع المفاعل مؤقتًا في حالة فوق الحرجة. بعد الوصول إلى القدرة المقدرة ، يعيد المشغلون قضبان التحكم جزئيًا ، ويعدلون عدد النيوترونات. بعد ذلك ، يتم الحفاظ على المفاعل في حالة حرجة. عندما يحتاج إلى التوقف ، يقوم المشغلون بإدخال القضبان بالكامل. هذا يمنع الانشطار وينقل القلب إلى حالة دون حرجة.
أنواع المفاعلات
معظم المنشآت النووية في العالمهي الطاقة ، التي تولد الحرارة اللازمة لتدوير التوربينات ، التي تدفع مولدات الطاقة الكهربائية. هناك أيضًا العديد من المفاعلات البحثية ، وبعض الدول لديها غواصات تعمل بالطاقة النووية أو سفن سطحية.
محطات توليد الكهرباء
هناك عدة أنواع من المفاعلات من هذا النوع ،لكن البناء على الماء الخفيف وجد تطبيقًا واسعًا. في المقابل ، يمكنها استخدام الماء المضغوط أو الماء المغلي. في الحالة الأولى ، يتم تسخين السائل تحت ضغط مرتفع بواسطة حرارة القلب ويدخل إلى مولد البخار. هناك ، يتم نقل الحرارة من الدائرة الأولية إلى الدائرة الثانوية ، والتي تحتوي أيضًا على الماء. يعمل البخار المتولد في النهاية كسائل عامل في دورة التوربينات البخارية.
يعمل مفاعل الغليان على المبدأدورة الطاقة المباشرة. الماء ، الذي يمر عبر المنطقة النشطة ، يغلي عند مستوى ضغط متوسط. يمر البخار المشبع عبر سلسلة من الفواصل والمجففات الموجودة في وعاء المفاعل ، مما يجعله في حالة شديدة الحرارة. ثم يتم استخدام بخار الماء المحمص كسائل عامل لتشغيل التوربين.
تبريد الغاز بدرجة حرارة عالية
مفاعل تبريد بالغاز ذو درجة حرارة عالية(HTGR) هو مفاعل نووي ، يعتمد مبدأ تشغيله على استخدام مزيج من جزيئات الجرافيت والوقود المجهرية كوقود. يوجد تصميمان متنافسان:
- نظام "ملء" الألماني ، الذي يستخدم عناصر وقود كروية 60 مم ، وهي مزيج من الجرافيت والوقود في غلاف الجرافيت ؛
- نسخة أمريكية على شكل مناشير جرافيت سداسية الشكل تتشابك لتشكل منطقة نشطة.
في كلتا الحالتين ، يتكون المبرد منالهيليوم عند ضغط حوالي 100 ضغط جوي. في النظام الألماني ، يمر الهيليوم عبر فجوات في طبقة عناصر الوقود الكروية ، وفي النظام الأمريكي ، من خلال ثقوب في موشورات الجرافيت الواقعة على طول محور المنطقة المركزية للمفاعل. يمكن أن يعمل كلا الخيارين في درجات حرارة عالية جدًا ، حيث يحتوي الجرافيت على درجة حرارة تسامي عالية للغاية ، في حين أن الهيليوم خامل كيميائيًا تمامًا. يمكن استخدام الهيليوم الساخن مباشرة كسائل عامل في التوربينات الغازية عند درجة حرارة عالية ، أو يمكن استخدام حرارتها لتوليد البخار في دورة المياه.
المفاعل النووي المعدني السائل: مخطط ومبدأ التشغيل
مفاعلات نيوترونية سريعة بالصوديومالمبرد تلقى الكثير من الاهتمام في الستينيات والسبعينيات. ثم بدا أن قدرتها على إعادة إنتاج الوقود النووي في المستقبل القريب كانت ضرورية لإنتاج الوقود للصناعة النووية سريعة التطور. عندما اتضح في الثمانينيات أن هذا التوقع غير واقعي ، تلاشى الحماس. ومع ذلك ، فقد تم بناء عدد من المفاعلات من هذا النوع في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا وفرنسا وبريطانيا العظمى واليابان وألمانيا. يعمل معظمهم على ثاني أكسيد اليورانيوم أو خليطه مع ثاني أكسيد البلوتونيوم. ومع ذلك ، كان النجاح الأكبر في الولايات المتحدة هو استخدام الوقود المعدني.
كاندو
ركزت كندا جهودها على المفاعلات ، فيباستخدام اليورانيوم الطبيعي. وهذا يلغي الحاجة إلى إثرائها للجوء إلى خدمات الدول الأخرى. كانت نتيجة هذه السياسة مفاعل الديوتيريوم واليورانيوم (كاندو). يتم التحكم والتبريد فيه بواسطة الماء الثقيل. جهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي هو استخدام خزان بارد D2O عند الضغط الجوي.القلب مثقوب بأنابيب مصنوعة من سبيكة الزركونيوم بوقود اليورانيوم الطبيعي ، والتي من خلالها يبرد الماء الثقيل. يتم إنتاج الكهرباء عن طريق تحويل حرارة الانشطار في الماء الثقيل إلى سائل تبريد يتم تدويره عبر مولد البخار. ثم يمر البخار في الدائرة الثانوية عبر دورة توربينية تقليدية.
مرافق البحوث
في أغلب الأحيان للبحث العلمييتم استخدام مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله هو استخدام التبريد بالماء وعناصر وقود اليورانيوم الشبيهة بالصفائح في شكل مجموعات. قادرة على العمل على نطاق واسع من مستويات الطاقة ، من بضعة كيلووات إلى مئات الميجاوات. نظرًا لأن توليد الطاقة ليس المهمة الرئيسية لمفاعلات البحث ، فهي تتميز بالطاقة الحرارية المتولدة والكثافة والطاقة الاسمية للنيوترونات في اللب. هذه المعلمات هي التي تساعد في تحديد قدرة مفاعل البحث على إجراء مسوحات محددة. عادةً ما تُستخدم الأنظمة منخفضة الطاقة في الجامعات للتدريس ، بينما تكون الطاقة العالية مطلوبة في مختبرات الأبحاث لاختبار المواد والأداء والأبحاث العامة.
أكثر الأبحاث النووية شيوعًاالمفاعل ، هيكل ومبدأ التشغيل على النحو التالي. تقع منطقتها النشطة في قاع بركة كبيرة عميقة من المياه. هذا يبسط مراقبة ووضع القنوات التي يمكن من خلالها توجيه الحزم النيوترونية. عند مستويات الطاقة المنخفضة ، ليست هناك حاجة لنزيف سائل التبريد ، حيث يوفر الحمل الحراري الطبيعي لسائل التبريد تبديدًا كافيًا للحرارة للحفاظ على حالة تشغيل آمنة. يوجد المبادل الحراري عادة على السطح أو أعلى البركة حيث يتراكم الماء الساخن.
منشآت السفن
الاستخدام الأولي والرئيسي للطاقة النوويةالمفاعلات هي استخدامها في الغواصات. ميزتها الرئيسية هي أنها ، على عكس أنظمة احتراق الوقود الأحفوري ، لا تتطلب الهواء لتوليد الكهرباء. لذلك ، يمكن أن تظل الغواصة النووية مغمورة لفترات طويلة من الزمن ، في حين أن الغواصة التقليدية التي تعمل بالديزل والكهرباء يجب أن ترتفع بشكل دوري إلى السطح لبدء تشغيل محركاتها في الهواء. تمنح الطاقة النووية ميزة إستراتيجية لسفن البحرية. بفضل ذلك ، ليست هناك حاجة للتزود بالوقود في الموانئ الأجنبية أو من الناقلات المعرضة للخطر بسهولة.
مبدأ تشغيل مفاعل نووي تحت الماءتم تصنيف القارب. ومع ذلك ، فمن المعروف أنه في الولايات المتحدة يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب ، ويتم التباطؤ والتبريد بالماء الخفيف. تأثر تصميم المفاعل الأول للغواصة النووية USS Nautilus بشدة بمرافق البحث القوية. تتميز ميزاته الفريدة بهامش تفاعلي كبير للغاية ، مما يضمن فترة طويلة من التشغيل دون إعادة التزود بالوقود والقدرة على إعادة التشغيل بعد إيقاف التشغيل. يجب أن تكون محطة الطاقة في الغواصات هادئة جدًا لتجنب اكتشافها. لتلبية الاحتياجات المحددة لفئات مختلفة من الغواصات ، تم إنشاء نماذج مختلفة من محطات الطاقة.
تستخدم حاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية مفاعلًا نوويًا ، يُعتقد أن مبدأه مستعار من أكبر الغواصات. كما لم يتم نشر تفاصيل تصميمها.
بالإضافة إلى الولايات المتحدة ، والغواصات النوويةالمملكة المتحدة وفرنسا وروسيا والصين والهند. في كل حالة ، لم يتم الكشف عن التصميم ، ولكن يُعتقد أن جميعها متشابهة جدًا - وهذا نتيجة لنفس المتطلبات لخصائصها التقنية. تمتلك روسيا أيضًا أسطولًا صغيرًا من كاسحات الجليد التي تعمل بالطاقة النووية والتي لها نفس المفاعلات مثل الغواصات السوفيتية.
المنشآت الصناعية
لإنتاج البلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحةيتم استخدام مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله هو إنتاجية عالية مع انخفاض مستوى إنتاج الطاقة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن بقاء البلوتونيوم لفترة طويلة في القلب يؤدي إلى تراكم العناصر غير المرغوب فيها 240بو.
إنتاج التريتيوم
في الوقت الحاضر ، المادة الرئيسية التي يتم الحصول عليها باستخدام هذه الأنظمة هي التريتيوم (3H أو T) - شحنة القنابل الهيدروجينية.يتمتع البلوتونيوم 239 بعمر نصفي طويل يبلغ 24100 سنة ، لذلك فإن الدول التي تمتلك ترسانات أسلحة نووية تستخدم هذا العنصر تميل إلى امتلاك أكثر مما تحتاجه. على عكس 239Pu ، يبلغ نصف عمر التريتيوم تقريبًاعمره 12. وبالتالي ، من أجل الحفاظ على الإمدادات الضرورية ، يجب إنتاج هذا النظير المشع للهيدروجين بشكل مستمر. في الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، يقوم نهر سافانا بولاية ساوث كارولينا بتشغيل العديد من مفاعلات الماء الثقيل التي تنتج التريتيوم.
وحدات الطاقة العائمة
تم إنشاء المفاعلات النووية التي يمكن أن توفرتسخين الكهرباء والبخار في المناطق النائية المعزولة. في روسيا ، على سبيل المثال ، تم استخدام محطات الطاقة الصغيرة المصممة خصيصًا لخدمة مجتمعات القطب الشمالي. في الصين ، تزود محطة HTR-10 بقدرة 10 ميجاوات الحرارة والطاقة لمعهد الأبحاث حيث يوجد. يتم تطوير مفاعلات صغيرة يتم التحكم فيها ذات قدرات مماثلة في السويد وكندا. بين عامي 1960 و 1972 ، استخدم الجيش الأمريكي مفاعلات مائية مدمجة لتشغيل القواعد البعيدة في جرينلاند وأنتاركتيكا. تم استبدالها بمحطات الطاقة التي تعمل بالنفط.
غزو الفضاء
بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير المفاعلاتإمدادات الطاقة والحركة في الفضاء الخارجي. بين عامي 1967 و 1988 ، قام الاتحاد السوفيتي بتركيب منشآت نووية صغيرة على أقمار كوزموس لتزويد المعدات بالطاقة والقياس عن بعد ، لكن هذه السياسة أصبحت هدفاً للنقد. دخل واحد على الأقل من هذه الأقمار الصناعية إلى الغلاف الجوي للأرض ، مما أدى إلى تلوث إشعاعي للمناطق النائية في كندا. أطلقت الولايات المتحدة قمرًا صناعيًا واحدًا يعمل بالطاقة النووية في عام 1965. ومع ذلك ، يستمر تطوير المشاريع لاستخدامها في رحلات الفضاء السحيقة ، والاستكشاف المأهول للكواكب الأخرى ، أو على قاعدة قمرية دائمة. سيكون هذا بالضرورة مفاعلًا نوويًا مبردًا بالغاز أو بمعدن سائل ، وستوفر مبادئه الفيزيائية أعلى درجة حرارة ممكنة ضرورية لتقليل حجم المبرد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون مفاعل المركبة الفضائية مضغوطًا قدر الإمكان لتقليل كمية المواد المستخدمة في التدريع وتقليل الوزن أثناء الإطلاق ورحلات الفضاء. سيضمن تزويد الوقود تشغيل المفاعل طوال فترة الرحلة الفضائية.
