Kodolreaktora ierīce un darbības principsir balstīti uz pašpietiekamas kodolreakcijas uzsākšanu un kontroli. To izmanto kā pētījumu instrumentu, radioaktīvo izotopu ražošanai un kā enerģijas avotu atomelektrostacijām.
Kodolreaktors: darbības princips (īsi)
Šeit tiek izmantots kodolu sadalīšanās process arkurā smagais kodols sadalās divos mazākos fragmentos. Šie fragmenti ir ļoti satraukti, un tie izstaro neitronus, citas subatomiskās daļiņas un fotonus. Neitroni var izraisīt jaunas fisijas, kā rezultātā no tām izdalās vēl vairāk utt. Šo nepārtraukto, pašpietiekamo šķelšanās sēriju sauc par ķēdes reakciju. Tajā pašā laikā tiek atbrīvots liels enerģijas daudzums, kura ražošana ir paredzēta atomelektrostacijas izmantošanai.
Kodolreaktora un atoma darbības principsspēkstacija ir tāda, ka apmēram 85% no skaldīšanas enerģijas izdalās ļoti īsā laika posmā pēc reakcijas sākuma. Pārējo daļu rada skaldīšanas produktu radioaktīvā sabrukšana pēc tam, kad tie ir izstarojuši neitronus. Radioaktīvā sabrukšana ir process, kurā atoms nonāk stabilākā stāvoklī. Tas turpinās pēc sadalīšanas pabeigšanas.
Atombumbā ķēdes reakcija to palielinaintensitāti, līdz lielākā daļa materiāla ir sadalīta. Tas notiek ļoti ātri, radot ārkārtīgi spēcīgus sprādzienus, kas raksturīgi šādām bumbām. Kodolreaktora ierīce un darbības princips ir balstīts uz ķēdes reakcijas uzturēšanu kontrolētā, gandrīz nemainīgā līmenī. Tas ir veidots tā, lai tas nevarētu eksplodēt kā atombumba.
Ķēdes reakcija un kritiskums
Kodola skaldīšanas reaktora fizika irka ķēdes reakciju nosaka kodola dalīšanās varbūtība pēc neitronu emisijas. Ja pēdējā populācija samazināsies, dalīšanās ātrums galu galā nokritīsies līdz nullei. Šajā gadījumā reaktors būs subkritiskā stāvoklī. Ja neitronu populācija tiks turēta nemainīga, tad dalīšanās ātrums paliks stabils. Reaktors būs kritiskā stāvoklī. Visbeidzot, ja laika gaitā neitronu populācija pieaug, dalīšanās ātrums un jauda palielināsies. Kodola stāvoklis kļūs superkritisks.
Kodolreaktora darbības princips ir šāds.Pirms tā palaišanas neitronu populācija ir tuvu nullei. Pēc tam operatori noņem kodolā vadības stieņus, palielinot kodola skaldīšanu, kas īslaicīgi liek reaktoru pārkritiskā stāvoklī. Pēc nominālās jaudas sasniegšanas operatori daļēji atdod vadības stieņus, pielāgojot neitronu skaitu. Pēc tam reaktors tiek uzturēts kritiskā stāvoklī. Kad tas jāpārtrauc, operatori stieņus ievieto pilnībā. Tas nomāc skaldīšanu un pārnes kodolu uz subkritisko stāvokli.
Reaktoru veidi
Lielākā daļa pasaules kodoliekārtuir enerģija, kas ražo siltumu, kas vajadzīgs, lai pagrieztu turbīnas, kas darbina elektriskās enerģijas ģeneratorus. Ir arī daudz pētījumu reaktoru, un dažās valstīs ir zemūdenes vai virszemes kuģi ar kodolenerģiju.
Elektrostacijas
Ir vairāki šāda veida reaktori,bet viegla ūdens dizains ir plaši izmantots. Savukārt tas var izmantot zem spiediena vai verdošu ūdeni. Pirmajā gadījumā augstspiediena šķidrumu silda kodola siltums un tas nonāk tvaika ģeneratorā. Tur siltums no primārās ķēdes tiek pārnests uz sekundāro ķēdi, kas satur arī ūdeni. Galu galā radītais tvaiks kalpo kā darba šķidrums tvaika turbīnu ciklā.
Verdoša ūdens reaktors darbojas pēc principatiešais enerģijas cikls. Ūdens, kas iet caur serdi, tiek uzvārīts vidējā spiediena līmenī. Piesātinātais tvaiks iziet cauri virknei separatoru un žāvētāju, kas atrodas reaktora traukā, izraisot tā pārkaršanu. Pēc tam pārkarsēto tvaiku izmanto kā darba šķidrumu turbīnas darbināšanai.
Augstas temperatūras gāze atdzesēta
Augstas temperatūras reaktors ar gāzes dzesēšanu(HTGR) ir kodolreaktors, kura darbības princips ir balstīts uz grafīta un degvielas mikrosfēru maisījuma izmantošanu kā degvielu. Ir divi konkurējoši modeļi:
- vācu "uzpildes" sistēma, kurā tiek izmantotas sfēriskas kurināmā šūnas 60 mm diametrā, kas ir grafīta un degvielas maisījums grafīta apvalkā;
- amerikāņu versija grafīta sešstūra prizmu veidā, kas savstarpēji saslēdzas, izveidojot kodolu.
Abos gadījumos dzesēšanas šķidrums sastāv nohēlijs zem aptuveni 100 atmosfēras spiediena. Vācijas sistēmā hēlijs iziet cauri sfērisko kurināmā elementu slāņa spraugām un Amerikas sistēmā caur caurumiem grafīta prismās, kas atrodas gar reaktora centrālās zonas asi. Abas iespējas var darboties ļoti augstā temperatūrā, jo grafītam ir ārkārtīgi augsta sublimācijas temperatūra un hēlijs ir pilnīgi ķīmiski inerts. Karsto hēliju var izmantot tieši kā darba šķidrumu gāzes turbīnā augstā temperatūrā, vai arī tā siltumu var izmantot tvaika radīšanai ūdens ciklā.
Šķidrā metāla kodolreaktors: shēma un darbības princips
Ātri reaktori ar nātriju1960. – 1970. gados liela uzmanība tika pievērsta dzesēšanas šķidrumam. Tad šķita, ka viņu iespējas tuvākajā nākotnē reproducēt kodoldegvielu ir nepieciešamas, lai ražotu degvielu strauji attīstošai kodolrūpniecībai. Kad astoņdesmitajos gados kļuva skaidrs, ka šīs cerības ir nereālas, entuziasms izzuda. Tomēr vairāki šāda veida reaktori ir uzbūvēti ASV, Krievijā, Francijā, Lielbritānijā, Japānā un Vācijā. Lielākā daļa no tām darbojas ar urāna dioksīdu vai tā maisījumu ar plutonija dioksīdu. Tomēr ASV lielākie panākumi gūti ar metālisko degvielu.
CANDU
Kanāda centienus koncentrēja uz reaktoriem 2007kas izmanto dabisko urānu. Tas novērš nepieciešamību izmantot citu valstu pakalpojumus tā bagātināšanai. Šīs politikas rezultāts bija Deitrija-urāna reaktors (CANDU). To kontrolē un atdzesē ar smagu ūdeni. Kodolreaktora ierīce un darbības princips sastāv no tvertnes ar aukstu D izmantošanu2O atmosfēras spiedienā.Kodolu caurdur caurules, kas izgatavotas no cirkonija sakausējuma ar dabīgu urāna degvielu, pa kuru cirkulē smagā ūdens dzesēšana. Elektroenerģija tiek ražota, sadalot smagā ūdens skaldīšanas siltumu dzesēšanas šķidrumam, kas cirkulē caur tvaika ģeneratoru. Pēc tam sekundārajā kontūrā esošie tvaiki tiek izvadīti caur parasto turbīnas ciklu.
Pētniecības iespējas
Zinātniskiem pētījumiem visbiežāktiek izmantots kodolreaktors, kura princips ir ūdens dzesēšanas un urāna kurināmā elementu izmantošana mezglu veidā. Spēj darboties plašā jaudas diapazonā, sākot no vairākiem kilovatiem līdz simtiem megavatu. Tā kā enerģijas ražošana nav pētniecības reaktoru galvenais mērķis, tos raksturo radītā siltuma enerģija, kodola blīvums un nominālā neitronu enerģija. Tieši šie parametri palīdz kvantitatīvi noteikt pētniecības reaktora spēju veikt īpašus apsekojumus. Zema enerģijas patēriņa sistēmas parasti ir universitātēs un tiek izmantotas mācīšanai, savukārt pētniecības laboratorijās liela jauda ir nepieciešama materiālu un veiktspējas testēšanai un vispārējiem pētījumiem.
Visizplatītākais pētniecības kodolsreaktoru, kura struktūra un darbības princips ir šāds. Tās aktīvā zona atrodas liela dziļa ūdens baseina apakšā. Tas vienkāršo kanālu novērošanu un izvietošanu, pa kuriem var virzīt neitronu starus. Pie zemas jaudas līmeņa nav nepieciešams sūknēt dzesēšanas šķidrumu, jo dabiskā apkures vides konvekcija nodrošina pietiekamu siltuma izkliedi, lai uzturētu drošu darba stāvokli. Siltummainis parasti atrodas uz baseina virsmas vai augšpusē, kur uzkrājas karsts ūdens.
Kuģu iekārtas
Sākotnējā un galvenā kodolenerģijas izmantošanareaktori ir to izmantošana zemūdenēs. To galvenā priekšrocība ir tā, ka atšķirībā no fosilā kurināmā sadedzināšanas sistēmām elektroenerģijas ražošanai nav vajadzīgs gaiss. Līdz ar to kodolzemūdene var palikt zem ūdens ilgu laiku, savukārt parastajai dīzeļelektriskajai zemūdenei periodiski jāceļas uz virsmu, lai iedarbinātu dzinējus gaisā. Kodolenerģija dod stratēģiskas priekšrocības jūras kuģiem. Pateicoties tam, nav nepieciešams uzpildīt degvielu ārvalstu ostās vai no viegli ievainojamiem tankkuģiem.
Kodolreaktora darbības princips zem ūdenslaiva ir klasificēta. Tomēr ir zināms, ka ASV tajā tiek izmantots ļoti bagātināts urāns, un ātruma samazināšanu un dzesēšanu veic ar vieglu ūdeni. Pirmā zemūdens kodolreaktora USS Nautilus konstrukciju lielā mērā ietekmēja spēcīgas izpētes iekārtas. Tās unikālās iezīmes ir ļoti liela reaktivitātes rezerve, kas nodrošina ilgu darbības periodu bez degvielas uzpildīšanas un iespēju restartēt pēc izslēgšanas. Zemūdeņu spēkstacijai jābūt ļoti kluss, lai izvairītos no atklāšanas. Lai apmierinātu dažādu zemūdens klašu īpašās vajadzības, ir izveidoti dažādi spēkstaciju modeļi.
ASV Jūras spēku lidmašīnu pārvadātāji izmanto kodolreaktoru, kas, domājams, ir veidots pēc lielākajām zemūdenēm. Arī to dizaina detaļas nav publicētas.
Papildus Amerikas Savienotajām Valstīm atomzemūdenes pieder arīLielbritānija, Francija, Krievija, Ķīna un Indija. Katrā gadījumā dizains netika atklāts, taču tiek uzskatīts, ka tie visi ir ļoti līdzīgi - tas ir vienādu prasību sekas to tehniskajām īpašībām. Krievijai ir arī neliela ar kodolenerģiju darbināmu ledlaužu flote, kas bija aprīkota ar tādiem pašiem reaktoriem kā padomju zemūdenes.
Rūpniecības iekārtas
Ieroču kvalitātes plutonija-239 ražošanaitiek izmantots kodolreaktors, kura princips ir augsta veiktspēja ar zemu enerģijas ražošanu. Tas ir saistīts ar faktu, ka ilgstoša plutonija uzturēšanās kodolā izraisa nevēlamu uzkrāšanos 240Pu.
Tritija ražošana
Pašlaik galvenais materiāls, kas iegūts, izmantojot šādas sistēmas, ir tritijs (3H vai T) - maksa par ūdeņraža bumbām.Plutonija-239 pusperiods ir ilgs - 24 100 gadi, tāpēc valstīm ar kodolieroču arsenāliem, kas izmanto šo elementu, parasti ir vairāk nekā nepieciešams. Atšķirībā no 239Pu, tritija pussabrukšanas periods ir aptuveni12 gadi. Tādējādi, lai uzturētu nepieciešamās rezerves, šis radioaktīvais ūdeņraža izotops ir jāražo nepārtraukti. Piemēram, Amerikas Savienotajās Valstīs, Savannas upē, Dienvidkarolīnā, darbojas vairāki smagā ūdens reaktori, kas ražo tritiju.
Peldošās enerģijas vienības
Ir izveidoti kodolreaktori, kas spēj nodrošinātelektrības un tvaika apkure attālos izolētos apgabalos. Piemēram, Krievijā ir izmantotas mazas elektrostacijas, kas īpaši paredzētas Arktikas apmetņu apkalpošanai. Ķīnā 10 MW HTR-10 iekārta piegādā siltumu un enerģiju pētniecības institūtam, kurā tā atrodas. Mazi, automātiski vadāmi reaktori ar līdzīgām iespējām tiek izstrādāti Zviedrijā un Kanādā. Laikā no 1960. līdz 1972. gadam ASV armija izmantoja kompaktus ūdens reaktorus, lai atbalstītu attālās bāzes Grenlandē un Antarktīdā. Tos aizstāja mazuta spēkstacijas.
Kosmosa iekarošana
Turklāt ir izstrādāti reaktorienerģijas piegāde un kustība kosmosā. Laikā no 1967. līdz 1988. gadam Padomju Savienība uzstādīja nelielas kodoliekārtas Kosmos satelītos, lai darbinātu iekārtas un telemetriju, taču šī politika ir kritizēta. Vismaz viens no šiem satelītiem ienāca Zemes atmosfērā, kā rezultātā attālos Kanādas rajonos radās radioaktīvs piesārņojums. ASV 1965. gadā palaida tikai vienu ar kodolenerģiju darbināmu satelītu. Tomēr joprojām tiek izstrādāti projekti to piemērošanai kosmiskajos tālos lidojumos, citu planētu pilotējamā izpētē vai pastāvīgā Mēness bāzē. Tas noteikti būs ar gāzi dzesējams vai ar šķidru metālu kodolreaktors, kura fizikālie principi nodrošinās pēc iespējas augstāku temperatūru, kas nepieciešama radiatora izmēru samazināšanai. Turklāt kosmosa tehnoloģiju reaktoram jābūt pēc iespējas kompaktākam, lai samazinātu ekranēšanai izmantojamā materiāla daudzumu un samazinātu svaru palaišanas un kosmosa lidojuma laikā. Degvielas padeve nodrošinās reaktora darbību visā kosmosa lidojuma periodā.
