Устройството и принципът на действие на ядрения реакторсе основават на инициирането и контрола на самоподдържаща се ядрена реакция. Използва се като изследователски инструмент за производство на радиоактивни изотопи и като енергиен източник за атомни електроцентрали.
Ядрен реактор: принцип на действие (накратко)
Тук се използва процесът на делене на ядра, спри което тежкото ядро се разделя на два по-малки фрагмента. Тези фрагменти са в много възбудено състояние и те излъчват неутрони, други субатомни частици и фотони. Неутроните могат да причинят нови разцепвания, в резултат на което се отделят още повече от тях и т.н. Такава непрекъсната, самоподдържаща се поредица от разделяния се нарича верижна реакция. В същото време се отделя голямо количество енергия, чието производство е целта на използването на атомната електроцентрала.
Принципът на действие на ядрения реактор и атомнияелектроцентралата е такава, че около 85% от енергията на делене се отделя в рамките на много кратък период от време след началото на реакцията. Остатъкът се генерира от радиоактивния разпад на продуктите на делене, след като те излъчат неутрони. Радиоактивното разпадане е процесът, при който атомът достига по-стабилно състояние. Продължава и след приключване на дивизията.
При атомна бомба верижната реакция увеличава своятаинтензивност, докато по-голямата част от материала се разцепи. Това се случва много бързо, произвеждайки изключително мощни експлозии, типични за такива бомби. Устройството и принципът на действие на ядрения реактор се основават на поддържане на верижна реакция на контролирано, почти постоянно ниво. Той е проектиран по такъв начин, че да не може да експлодира като атомна бомба.
Верижна реакция и критичност
Физиката на реактора за ядрено делене ече верижната реакция се определя от вероятността за ядрено делене след неутронно излъчване. Ако популацията на последния намалее, тогава скоростта на разделяне в крайна сметка ще спадне до нула. В този случай реакторът ще бъде в подкритично състояние. Ако популацията на неутроните се поддържа постоянна, тогава скоростта на делене ще остане стабилна. Реакторът ще бъде в критично състояние. И накрая, ако неутронната популация нараства с времето, скоростта на делене и мощността ще се увеличат. Основното състояние ще стане свръхкритично.
Принципът на действие на ядрения реактор е следният. Преди изстрелването си неутронната популация е близо до нула. След това операторите изваждат контролните пръти от ядрото, увеличавайки ядреното делене, което временно поставя реактора в свръхкритично състояние. След достигане на номиналната мощност операторите частично връщат управляващите пръти, регулирайки броя на неутроните. Впоследствие реакторът се поддържа в критично състояние. Когато трябва да бъде спряно, операторите поставят прътите напълно. Това потиска деленето и пренася ядрото в подкритично състояние.
Типове реактори
Повечето от световните ядрени инсталацииса енергийни, генериращи топлина, необходима за въртене на турбини, които задвижват генераторите на електрическа енергия. Има и много изследователски реактори, а някои държави разполагат с ядрени подводници или надводни кораби.
Електроцентрали
Има няколко вида реактори от този тип,но дизайнът върху лека вода е намерил широко приложение. На свой ред може да използва вода под налягане или вряща вода. В първия случай течността под високо налягане се нагрява от топлината на сърцевината и постъпва в парогенератора. Там топлината от първичния кръг се предава към вторичния кръг, който също съдържа вода. В крайна сметка генерираната пара служи като работна течност в цикъла на парната турбина.
Реакторът с вряща вода работи съгласно принципадиректен енергиен цикъл. Водата, преминаваща през сърцевината, се кипи при средно ниво на налягане. Наситената пара преминава през серия от сепаратори и сушилни, разположени в корпуса на реактора, което води до прегряване. След това прегрятата пара се използва като работна течност за задвижване на турбината.
Газообразно охлаждане с висока температура
Реактор с високотемпературно охлаждане с газ(HTGR) е ядрен реактор, чийто принцип на работа се основава на използването на смес от графит и горивни микросфери като гориво. Има два конкурентни дизайна:
- германската система за „пълнене“, която използва сферични горивни клетки с диаметър 60 mm, която представлява смес от графит и гориво в графитна обвивка;
- американската версия под формата на графитни шестоъгълни призми, които се блокират, създавайки активна зона.
И в двата случая охлаждащата течност се състои отхелий под налягане от около 100 атмосфери. В германската система хелий преминава през пролуките в слоя от сферични горивни клетки, а в американската система през отвори в графитните призми, разположени по оста на централната зона на реактора. И двата варианта могат да работят при много високи температури, тъй като графитът има изключително висока температура на сублимация и хелийът е напълно химически инертен. Горещият хелий може да се използва директно като работна течност в газова турбина при висока температура или топлината му може да се използва за генериране на пара във воден цикъл.
Ядрен реактор с течни метали: схема и принцип на действие
Бързи реактори с натриймного внимание беше отделено на охлаждащата течност през 1960-1970-те години. Тогава изглеждаше, че способностите им да възпроизвеждат ядрено гориво в близко бъдеще са необходими за производството на гориво за бързо развиващата се ядрена индустрия. Когато през 80-те години стана ясно, че това очакване е нереалистично, ентусиазмът изчезна. Редица реактори от този тип обаче са построени в САЩ, Русия, Франция, Великобритания, Япония и Германия. Повечето от тях работят върху уран диоксид или сместа му с плутониев диоксид. В САЩ обаче най-големият успех е постигнат с металните горива.
КАНДУ
Канада съсредоточи усилията си върху реакторите вкойто използва естествен уран. Това премахва необходимостта да се използват услугите на други държави, за да се обогати. Резултатът от тази политика беше реакторът деутерий-уран (CANDU). Той се контролира и охлажда с тежка вода. Устройството и принципът на действие на ядрения реактор се състои в използването на резервоар със студен D2O при атмосферно налягане.Сърцевината е пробита от тръби, изработени от циркониева сплав с естествено ураново гориво, през които течно водно охлаждане циркулира. Електричеството се генерира чрез предаване на топлината на делене в тежката вода към охлаждащата течност, която циркулира през парогенератора. След това парата във вторичния кръг преминава през конвенционален турбинен цикъл.
Изследователски съоръжения
За научни изследвания най-честосе използва ядрен реактор, чийто принцип е използването на водно охлаждане и плочи уран горивни клетки под формата на възли. Може да работи при широк диапазон от нива на мощност, от няколко киловата до стотици мегавати. Тъй като производството на електроенергия не е основният фокус на изследователските реактори, те се характеризират с генерираната топлинна енергия, плътността и номиналната неутронна енергия на ядрото. Именно тези параметри помагат да се определи количествено способността на изследователския реактор да провежда специфични изследвания. Системите с ниска мощност обикновено се намират в университетите и се използват за преподаване, докато голяма мощност е необходима в изследователски лаборатории за изпитване на материали и производителност и общи изследвания.
Най-често срещаните ядрени изследванияреактор, чиято структура и принцип на действие са както следва. Активната му зона е разположена в дъното на голям дълбок воден басейн. Това опростява наблюдението и разположението на каналите, през които могат да бъдат насочени неутронните лъчи. При ниски нива на мощност няма нужда да се изпомпва охлаждаща течност, тъй като естествената конвекция на отоплителната среда осигурява достатъчно разсейване на топлината, за да се поддържа безопасно работно състояние. Топлообменникът обикновено се намира на повърхността или в горната част на басейна, където се натрупва топла вода.
Корабни инсталации
Първоначалното и основно използване на ядрената енергияреактори е използването им в подводници. Основното им предимство е, че за разлика от системите за изгаряне на изкопаеми горива, те не се нуждаят от въздух за производство на електричество. Следователно, ядрена подводница може да остане потопена за дълго време, докато конвенционалната дизелово-електрическа подводница трябва периодично да се издига на повърхността, за да стартира двигателите си във въздуха. Ядрената енергия дава стратегическо предимство на морските кораби. Благодарение на него няма нужда да се зарежда в чужди пристанища или от лесно уязвими танкери.
Принципът на работа на ядрен реактор под водалодката е класифицирана. Известно е обаче, че в САЩ се използва силно обогатен уран и че забавянето и охлаждането се извършва с лека вода. Дизайнът на първия ядрен подводен реактор USS Nautilus беше силно повлиян от мощни изследователски съоръжения. Неговите уникални характеристики са много голям запас на реактивност, който осигурява дълъг период на работа без зареждане с гориво и възможност за рестартиране след изключване. Електроцентралата в подводниците трябва да е много тиха, за да се избегне откриването. За да отговорят на специфичните нужди на различните класове подводници, са създадени различни модели електроцентрали.
Американските ВМС самолетоносачи използват ядрен реактор, чийто принцип се смята, че е заимстван от най-големите подводници. Подробностите за дизайна им също не са публикувани.
В допълнение към САЩ ядрените подводници са собственост наВеликобритания, Франция, Русия, Китай и Индия. Във всеки случай дизайнът не беше разкрит, но се смята, че всички те са много сходни - това е следствие от едни и същи изисквания за техническите им характеристики. Русия разполага и с малък флот от ледоразбивачи с ядрени двигатели, които използваха същите реактори като съветските подводници.
Промишлени предприятия
За производството на оръжеен плутоний-239се използва ядрен реактор, чийто принцип е висока производителност с ниско производство на енергия. Това се дължи на факта, че дългият престой на плутоний в сърцевината води до натрупване на нежелани 240Пу.
Производство на тритий
В момента основният материал, получен с помощта на такива системи, е тритий (3Н или Т) - такса за водородни бомби.Плутоний-239 има дълъг период на полуразпад от 24 100 години, така че страните с арсенали от ядрени оръжия, използващи този елемент, обикновено имат повече от необходимото. За разлика от 239Pu, полуживотът на тритий е приблизително12 години. По този начин, за да се поддържат необходимите резерви, този радиоактивен изотоп на водорода трябва да се произвежда непрекъснато. В САЩ, река Савана, Южна Каролина, например, управлява няколко реактора с тежка вода, които произвеждат тритий.
Плаващи енергийни агрегати
Създадени са ядрени реактори, способни да осигурятелектричество и парно отопление отдалечени изолирани зони. В Русия например се използват малки електроцентрали, специално проектирани за обслужване на арктически селища. В Китай 10-MW HTR-10 блок доставя топлина и енергия на изследователския институт, където се намира. Малки, автоматично контролирани реактори с подобни възможности са в процес на разработка в Швеция и Канада. Между 1960 и 1972 г. американската армия използва компактни водни реактори за подпомагане на отдалечени бази в Гренландия и Антарктида. Те бяха заменени от електроцентрали на мазут.
Завладяването на пространството
Освен това са разработени реактори заснабдяване с енергия и движение в космическото пространство. Между 1967 и 1988 г. Съветският съюз инсталира малки ядрени инсталации на сателитите на Космос за захранване на оборудване и телеметрия, но тази политика е обект на критика. Поне един от тези сателити е влязъл в земната атмосфера, което е довело до радиоактивно замърсяване на отдалечени райони на Канада. Съединените щати изстреляха само един сателит с ядрено захранване през 1965 г. Въпреки това продължават да се разработват проекти за тяхното приложение при космически полети на дълги разстояния, пилотирани изследвания на други планети или на постоянна лунна база. Това определено ще бъде газово охладен или течен метален ядрен реактор, чиито физични принципи ще осигурят възможно най-високата температура, необходима за минимизиране на размера на радиатора. Освен това реакторът за космическа техника трябва да бъде възможно най-компактен, за да се сведе до минимум количеството материал, използвано за екраниране, и да се намали теглото по време на изстрелването и космическия полет. Захранването с гориво ще осигури работата на реактора за целия период на космически полет.
