Ydinreaktori: toiminnan, laitteen ja piirin periaate

Ydinreaktorin suunnittelu ja toiminta perustuvat itsensä kestävän ydinreaktion alustukseen ja hallintaan. Sitä käytetään tutkimusvälineenä radioaktiivisten isotooppien tuotannossa ja ydinvoimaloiden energialähteenä.

Ydinreaktori: toiminnan periaate (lyhyesti)

Tässä käytetään ydinfysioprosessia, jossa raskas ydin hajoaa kahteen pienempään fragmenttiin. Nämä fragmentit ovat erittäin innoissaan ja lähettävät neutroneja, muita subatomisia hiukkasia ja fotoneja. Neutronit voivat aiheuttaa uusia pisteitä, joiden seurauksena ne säteilevät vielä enemmän ja niin edelleen. Tällaista jatkuvaa itsestään kestävää halkaisusarjaa kutsutaan ketjureaktiona. Samanaikaisesti jaetaan runsaasti energiaa, jonka tuotanto on ydinvoimalaitosten käyttötarkoitus.

Ydinreaktorin ja atomivoimalaitoksen toimintaperiaate on sellainen, että 85 prosentin pesäkkeitä vapautuu hyvin lyhyessä ajassa reaktion alkamisen jälkeen. Loppu tuotetaan fissiotuotteiden radioaktiivisen hajoamisen seurauksena, kun ne ovat lähettäneet neutronit. Radioaktiivinen hajoaminen on prosessi, jossa atomi saavuttaa vakaan tilan. Se jatkuu jakautumisen päätyttyä.

Atomipommissa ketjureaktio lisää voimakkuuttaan, kunnes suurin osa materiaalista on jaettu. Tämä tapahtuu hyvin nopeasti ja tuottaa erittäin voimakkaita räjähdyksiä, jotka ovat tyypillisiä tällaisille pommille. Ydinreaktorin rakenne ja toiminta perustuvat ketjureaktion ylläpitämiseen säädellyllä, melkein vakituisella tasolla. Se on suunniteltu siten, että se ei voi räjähtää kuin atomipommi.

Ketjureaktio ja kriittisyys

Ydinfission-reaktorin fysiikka on, että ketjureaktio määritetään todennäköisyydellä jakautua ydin neutronien päästöjen jälkeen. Jos jälkimmäisen väestö vähenee, fissioprosentti laskee lopulta nollaan. Tässä tapauksessa reaktori on alikriittisessä tilassa. Jos neutronien väestö säilyy vakiona, fissioaste pysyy vakaana. Reaktori on kriittisessä tilassa. Ja lopuksi, jos neutronipopulaatio kasvaa ajan myötä, fissiotaajuus ja teho kasvavat. Ydin ytimestä tulee ylikriittistä.

Ydinreaktorin toimintaperiaate on seuraava. Ennen sen käynnistymistä neutronipopulaatio on lähellä nollaa. Operaattorit sitten poistavat säätösauvat sydämestä, lisäävät ytimien fissiointia ja siirtävät tilapäisesti reaktoria ylikriittiseltä tilalta. Nimellistehon saavuttua operaattorit palauttavat osittain säätösauvat säätämällä neutronien lukumäärää. Tulevaisuudessa reaktoria ylläpidetään kriittisessä tilassa. Kun se on pysäytettävä, toimijat työntävät tangot kokonaan. Tämä estää jakautumisen ja siirtää aktiivisen alueen alikriittiseen tilaan.

Reaktorien tyypit

Suurin osa maailman nykyisistä ydinvoimaloista on energian tuottavaa lämpöä, joka tarvitaan turbiinien pyörimiseen, jotka ovat käynnistäneet sähkövoimageneraattorit. Myös monia tutkimusreaktoreita on, ja joissakin maissa on sukellusveneet tai pinta-alukset, joita atomin energia ohjaa.

Voimalaitokset

Tämäntyyppisiä reaktoreita on useita, mutta kevytvesirakenne on laaja sovellus. Sen sijaan se voi käyttää vettä paineella tai kiehuvalla vedellä. Ensimmäisessä tapauksessa korkean paineen alaista nestettä kuumennetaan sydämen lämpöllä ja tulee höyrygeneraattoriin. Siinä primääripiirin lämpö siirretään toissijaiseen piiriin, joka sisältää myös vettä. Lopulta tuotettu höyry toimii työfluidina höyryturbiinin syklissä.

Kiehumisreaktori toimii suorien energiajaksojen periaatteella. Vesi, joka kulkee aktiivisen alueen läpi, saatetaan kiehumaan keskimääräisellä painetasolla. Tyydyttynyt höyry kulkee reaktoriastiassa olevien erottimien ja kuivausrummun läpi, mikä johtaa tulistuneeseen tilaan. Täytehöyrytettyä vesihöyryä käytetään sitten turbiinin pyörittävänä työfluidina.

Korkea lämpötila ja kaasun jäähdytys

Korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen reaktori (HTGR) on ydinreaktori, jonka periaate perustuu grafiitin ja polttoaineen mikropallojen seoksen käyttämiseen polttoaineena. Kaksi kilpailevaa mallia:

• Saksalainen "täyttö" -järjestelmä, jossa käytetään pallomaisia polttokennoja, joiden läpimitta on 60 mm, joka on grafiitin ja polttoaineen seos grafiittikuoressa;
• Amerikkalainen muunnos grafiitti kuusikulmaisten prismojen muodossa, jotka tarttuvat ja muodostavat aktiivisen vyöhykkeen.

Molemmissa tapauksissa jäähdytysneste koostuu heliumista paineessa, joka on noin 100 ilmakehää. Saksalaisessa järjestelmässä helium kulkee pallomaisten polttokenno- kerrosten aukkojen läpi ja amerikkalaisessa järjestelmässä reikien keskivyöhykkeen akselin ympäri sijaitseviin grafiittipinnoitteisiin reikiin. Molemmat vaihtoehdot voivat toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa, koska grafiitilla on erittäin korkea sublimaatiolämpötila ja helium on täysin kemiallisesti inertti. Kuumaa heliumia voidaan käyttää suoraan työfluidina kaasuturbiinissa korkeassa lämpötilassa tai sen lämpöä voidaan käyttää vesihöyryn tuottamiseen.

Nestemäinen metallireaktori: toiminta ja toimintaperiaate

Reaktoreita nopeista neutroneista natriumjäähdytteellä saivat suurta huomiota 1960- ja 1970-luvuilla. Silloin näytti siltä, että niiden kyky tuottaa ydinpolttoaineita lähitulevaisuudessa on välttämätöntä polttoaineen tuottamiseksi nopeasti kehittyvälle ydinteollisuudelle. Kun 1980-luvulla tuli selväksi, että tämä odotus oli epärealistinen, innostus sammutettiin. Tällaisia reaktoreita on kuitenkin rakennettu Yhdysvalloissa, Venäjällä, Ranskassa, Isossa-Britanniassa, Japanissa ja Saksassa. Suurin osa niistä tekee uraanidioksidia tai sen seosta plutoniumdioksidilla. Yhdysvalloissa kuitenkin suurin menestys saavutettiin metallipolttoaineilla.

CANDU

Kanada keskittyi ponnisteluihinsa luonnonuraania käyttäviin reaktoreihin. Tämä poistaa tarpeen rikastua turvautua muiden maiden palveluihin. Tämän politiikan tulos oli deuterium-uraanireaktori (CANDU). Ohjaus ja jäähdytys tuotetaan raskaassa vedessä. Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate koostuvat säiliön käyttämisestä kylmällä D20: lla ilmakehän paineessa. Aktiivinen vyöhyke on läpäissyt zirkoniumseoksesta valmistetut putket, joissa on luonnollista uraania sisältävä polttoaine, jonka läpi raskas vesi jäähdyttää. Sähkö tuotetaan siirtämällä kuidun lämpöä raskaassa vedessä jäähdytysnesteeseen, joka kiertää höyrygeneraattorin läpi. Toisiopiirin höyry kulkee sitten normaalin turbiinikierron läpi.

Tutkimuslaitokset

Tehdään tieteellistä tutkimusta, yleisimmin käytetty ydinreaktori, jonka periaate on käyttää veden jäähdytystä ja levymäisiä uraanipolttokennoja kokoonpanojen muodossa. Pystyy toimimaan monenlaisissa tehotasoissa, muutamasta kilowatista satoihin megawattiin. Koska sähköntuotanto ei ole tutkimusreaktoreiden päätehtävä, niille on ominaista syntyneen lämpöenergian, tiheyden ja neutronien nimellisteho. Nämä parametrit auttavat määrittämään tutkimusreaktorin kyvyn suorittaa erityisiä tutkimuksia. Pienitehoiset järjestelmät toimivat yleensä yliopistoissa ja niitä käytetään koulutukseen, ja tutkimus- laboratorioissa tarvitaan voimakasta materiaalien ja ominaisuuksien testaamiseen ja yleiseen tutkimukseen.

Yleisin tutkimus ydinreaktori, jonka rakenne ja toimintaperiaate ovat seuraavat. Sen aktiivinen alue sijaitsee suuren syvän altaan alaosassa vedellä. Tämä yksinkertaistaa kanavien havainnointia ja sijoittamista, jonka kautta neutronisäteitä voidaan ohjata. Pienillä tehotasoilla jäähdytysnestettä ei ole tarpeen pumpata, koska turvallisen työskentelyolosuhteiden säilyttämiseksi jäähdytysnesteen luonnollinen konvektio takaa riittävän lämmönpoiston. Lämmönvaihdin on pääsääntöisesti sijoitettu altaan pinnalle tai yläosaan, jossa kuumaa vettä kertyy.

Laivojen asennukset

Ydinreaktoreiden alkuperäinen ja pääasiallinen käyttö on niiden käyttö sukellusveneissä. Niiden tärkein etu on se, että toisin kuin fossiilisten polttoaineiden palamisjärjestelmät, ne eivät tarvitse ilmaa sähkön tuottamiseen. Näin ollen atomi-sukellusvene voi pysyä pitkään upotettuna, ja perinteisen diesel-sähköisen sukellusveneen on ajoittain noustava pintaan moottorien käynnistämiseksi ilmassa. Ydinvoima antaa strategista etua merivoimien aluksille. Sen takia ei ole tarvetta tankata ulkomaisissa satamissa tai helposti alttiissa säiliöaluksissa.

Ydinreaktorin toimintaperiaate sukellusveneessä luokitellaan. Kuitenkin tiedetään, että Yhdysvalloissa se käyttää erittäin rikastettua uraania, kun taas hidastus ja jäähdytys tuotetaan kevyellä vedellä. Ensimmäisen USS Nautilus -sukellusveneen reaktorin suunnittelua vaikutti voimakkaasti voimakkaat tutkimuslaitokset. Sen ainutlaatuiset ominaisuudet ovat erittäin suuri reagointivaraus, joka tarjoaa pitkän käyttöiän ilman tankkausta ja kykyä käynnistää uudelleen pysähdyksen jälkeen. Sukellusveneiden voimalaitoksen on oltava hyvin hiljainen havaitsemisen välttämiseksi. Sukellusveneiden eri luokkien erityistarpeiden täyttämiseksi luotiin erilaisia voimalaitemalleja.

Yhdysvaltain laivaston lentoliikenteen harjoittajat käyttävät ydinreaktoria, jonka toimintaperiaatteella uskotaan olevan lainan suurimmista sukellusveneistä. Suunnittelun yksityiskohtia ei myöskään julkaistu.

Yhdysvaltojen lisäksi ydinsukellusveneitä on saatavana Britanniassa, Ranskassa, Venäjällä, Kiinassa ja Intiassa. Kussakin tapauksessa suunnittelua ei paljastettu, mutta uskotaan, että ne ovat kaikki hyvin samanlaisia - tämä on seurausta samoista vaatimuksista, jotka koskevat niiden teknisiä ominaisuuksia. Venäjällä on myös pieni ydinreaktoreiden laivasto , johon on asennettu samat reaktorit, kuten Neuvostoliiton sukellusveneet.

Teollisuuslaitokset

Asetyyppisen plutonium-239: n tuotannossa käytetään ydinreaktoria, jonka toimintaperiaate on korkea tuottavuus ja alhainen energiantuotanto. Tämä johtuu siitä, että sydämen pitkittynyt plutoniumin pysyminen johtaa epätoivottavan ²⁴⁰ Pu: n kertymiseen.

Tritiumin tuotanto

Tällä hetkellä tällaisten järjestelmien avulla saavutettu pääaine on tritium ( ³ H tai T) - vetypommien varaus. Plutonium-239: lla on pitkä puoliintumisaika 24 100 vuotta, joten ydinaseita käyttävät maat, joissa käytetään tätä elementtiä, ovat yleensä enemmän kuin tarpeellisia. Toisin kuin ²³⁹ Pu, tritiumin puoliintumisaika on noin 12 vuotta. Täten tarvittavien varantojen ylläpitämiseksi tämä radioaktiivinen vedyn isotooppi on tuotettava jatkuvasti. Yhdysvalloissa esimerkiksi Savannah-joella (Etelä-Carolina) on useita raskasvesireaktoreita, jotka tuottavat tritiumia.

Kelluvat tehoyksiköt

Ydinreaktoreita on rakennettu, jotka pystyvät tarjoamaan eristyneitä alueita sähköllä ja höyrylämmityksellä. Esimerkiksi Venäjällä käytettiin pieniä voimalaitoksia, jotka on erityisesti suunniteltu arktisten siirtokuntien huoltopalveluihin. Kiinassa 10 MW: n HTR-10-laitos toimittaa lämpöä ja sähköä tutkimuslaitokseen, jossa se sijaitsee. Ruotsissa ja Kanadassa on meneillään pieniä, automaattisesti valvottuja reaktoreita, joilla on samanlaiset valmiudet. Vuosina 1960 ja 1972 Yhdysvaltain armeija käytti kompakteja vesireaktoreita, joilla tarjottiin kaukoliikkeitä Grönlannissa ja Etelämantereella. Ne korvattiin mustaöljyvoimaloilla.

Avaruuden valloitus

Lisäksi kehitettiin reaktoreita virtalähteille ja liikkuvuudelle ulkoavaruudessa. Vuosina 1967-1988 Neuvostoliitto asetti Cosmos-sarjan satelliittien pienet ydinlaitokset laitteiden ja telemetriikan käynnistämiseksi, mutta tämä politiikka tuli kritiikin kohteeksi. Ainakin yksi näistä satelliiteista tuli maapallon ilmakehään, mikä aiheutti radioaktiivisen saastumisen Kanadan syrjäisillä alueilla. Yhdysvallat käynnisti vuonna 1965 vain yhden satelliitin ydinreaktorin kanssa. Kuitenkin hankkeita, jotka koskevat niiden käyttöä pitkän kantaman avaruusopisteissä, muiden planeettojen miehitettyjä tutkimuksia tai pysyvää kuun pohjaa, kehitetään edelleen. Tämä on välttämättä kaasujäähdytteinen tai nestemäinen metalli-ydinreaktori, jonka fysikaaliset periaatteet varmistavat korkeimman lämpötilan, joka tarvitaan säteilijän koon minimoimiseksi. Lisäksi avaruustekniikan reaktorin tulisi olla mahdollisimman pienikokoinen, jotta voidaan minimoida suojaamisessa käytettävän materiaalin määrä ja pienentää painoa käynnistyksen ja avaruuslennon aikana. Polttoainesäiliö varmistaa reaktorin toiminnan koko avaruuslennon ajan.