Naprava in princip delovanja jedrskega reaktorja temeljita na inicializaciji in nadzoru samovzdržne jedrske reakcije. Uporablja se kot raziskovalno orodje, za proizvodnjo radioaktivnih izotopov in kot vir energije za jedrske elektrarne.
Nuklearni reaktor: kako deluje (na kratko)
Tukaj se uporablja proces jedrske cepitve, pri katerem se težko jedro razbije na dva manjša fragmenta. Ti fragmenti so v zelo vzbujenem stanju in oddajajo nevtrone, druge subatomske delce in fotone. Nevtroni lahko povzročijo nove cepitve, zaradi katerih se oddaja več nevtronov itd. Takšno neprekinjeno samovzdrževalno serijo razcepov imenujemo verižna reakcija. Hkrati se sprosti velika količina energije, katere proizvodnja je namen uporabe jedrskih elektrarn.
Načelo delovanja jedrskega reaktorja in jedrske elektrarne je takšno, da se približno 85 % cepitvene energije sprosti v zelo kratkem času po začetku reakcije. Ostalo se proizvaja vposledica radioaktivnega razpada produktov cepitve, potem ko so oddali nevtrone. Radioaktivni razpad je proces, s katerim atom doseže stabilnejše stanje. Nadaljuje se tudi po končani delitvi.
V atomski bombi se verižna reakcija povečuje v intenzivnosti, dokler se večina materiala ne razcepi. To se zgodi zelo hitro in povzroči izjemno močne eksplozije, značilne za takšne bombe. Naprava in princip delovanja jedrskega reaktorja temeljita na vzdrževanju verižne reakcije na nadzorovani, skoraj konstantni ravni. Zasnovan je tako, da ne more eksplodirati kot atomska bomba.
verižna reakcija in kritičnost
Fizika jedrskega fisijskega reaktorja je, da je verižna reakcija določena z verjetnostjo jedrske cepitve po emisiji nevtronov. Če se populacija slednjega zmanjša, bo stopnja cepitve sčasoma padla na nič. V tem primeru bo reaktor v podkritičnem stanju. Če se populacija nevtronov vzdržuje na konstantni ravni, bo stopnja cepitve ostala stabilna. Reaktor bo v kritičnem stanju. In končno, če populacija nevtronov sčasoma raste, se bosta stopnja cepitve in moč povečala. Jedro bo postalo superkritično.
Načelo delovanja jedrskega reaktorja je naslednje. Pred izstrelitvijo je populacija nevtronov blizu nič. Operaterji nato odstranijo kontrolne palice iz jedra, kar poveča jedrsko cepitev, kar začasno prevedereaktor v superkritično stanje. Ko dosežejo nazivno moč, operaterji delno vrnejo krmilne palice in prilagodijo število nevtronov. V prihodnosti se reaktor vzdržuje v kritičnem stanju. Ko ga je treba ustaviti, operaterji vstavijo palice v celoti. To zavira cepitev in pripelje jedro v podkritično stanje.
Vrste reaktorjev
Večina svetovnih jedrskih objektov proizvaja energijo, ki proizvaja toploto, potrebno za vrtenje turbin, ki poganjajo generatorje električne energije. Obstaja tudi veliko raziskovalnih reaktorjev, nekatere države pa imajo podmornice ali površinske ladje na jedrski pogon.
elektrarne
Obstaja več vrst tovrstnih reaktorjev, vendar je zasnova lahke vode našla široko uporabo. Po drugi strani lahko uporablja vodo pod tlakom ali vrelo vodo. V prvem primeru se tekočina pod visokim tlakom segreje s toploto jedra in vstopi v generator pare. Tam se toplota iz primarnega krogotoka prenaša na sekundarni, ki vsebuje tudi vodo. Končno ustvarjena para služi kot delovna tekočina v ciklu parne turbine.
Reaktor z vreliščem deluje na principu neposrednega energijskega cikla. Voda, ki prehaja skozi aktivno cono, zavre pri povprečnem tlaku. Nasičena para prehaja skozi vrsto separatorjev in sušilnikov, ki se nahajajo v reaktorski posodi, kar jo pripelje dopregreto stanje. Pregreta vodna para se nato uporabi kot delovna tekočina za vrtenje turbine.
visokotemperaturno hlajen s plinom
Hlajeni visokotemperaturni plinski reaktor (HTGR) je jedrski reaktor, katerega princip delovanja temelji na uporabi mešanice grafita in gorivnih mikrosfer kot goriva. Obstajata dva konkurenčna dizajna:
- nemški sistem "polnila", ki uporablja sferične gorivne celice s premerom 60 mm, ki so mešanica grafita in goriva v grafitni lupini;
- Ameriška različica v obliki grafitnih šesterokotnih prizm, ki se prepletajo in tvorijo aktivno cono.
V obeh primerih je hladilna tekočina sestavljena iz helija pri tlaku približno 100 atmosfer. V nemškem sistemu helij prehaja skozi vrzeli v plasti sferičnih gorivnih elementov, v ameriškem sistemu pa skozi luknje v grafitnih prizmah, ki se nahajajo vzdolž osi osrednje cone reaktorja. Obe možnosti lahko delujeta pri zelo visokih temperaturah, saj ima grafit izjemno visoko temperaturo sublimacije, medtem ko je helij popolnoma kemično inerten. Vroč helij se lahko uporabi neposredno kot delovna tekočina v plinski turbini pri visoki temperaturi ali pa se njegova toplota uporabi za ustvarjanje pare v vodnem ciklu.
Jedrski reaktor s tekočo kovino: shema in princip delovanja
Reaktorji s hitrimi nevtroni z natrijevim hladilnim sredstvom so bili deležni velike pozornosti v 60. in 70. letih prejšnjega stoletja. Potemzdelo se je, da je njihova sposobnost reprodukcije jedrskega goriva v bližnji prihodnosti nujna za proizvodnjo goriva za hitro razvijajočo se jedrsko industrijo. Ko je v osemdesetih letih postalo jasno, da je to pričakovanje nerealno, je navdušenje zbledelo. Vendar pa je bilo veliko tovrstnih reaktorjev zgrajenih v ZDA, Rusiji, Franciji, Veliki Britaniji, na Japonskem in v Nemčiji. Večina jih deluje na uranovem dioksidu ali njegovi mešanici s plutonijevim dioksidom. V Združenih državah pa je bil največji uspeh s kovinskimi gorivi.
CANDU
Kanada se je osredotočila na reaktorje, ki uporabljajo naravni uran. To odpravlja potrebo po njegovi obogatitvi, da bi se zatekla k storitvam drugih držav. Rezultat te politike je bil devterij-uranov reaktor (CANDU). Nadzor in hlajenje v njem se izvaja s težko vodo. Naprava in princip delovanja jedrskega reaktorja je uporaba rezervoarja s hladnim D2O pri atmosferskem tlaku. Jedro prebodejo cevi iz cirkonijeve zlitine z naravnim uranovim gorivom, skozi katere ga hladi težka voda. Električna energija se proizvaja s prenosom toplote cepitve v težki vodi na hladilno sredstvo, ki kroži skozi generator pare. Para v sekundarnem krogu nato preide skozi normalni turbinski cikel.
raziskovalne instalacije
Za znanstvene raziskave se najpogosteje uporablja jedrski reaktor, katerega princip je uporaba vodnega hlajenja inlamelni gorivni elementi iz urana v obliki sklopov. Sposoben je delovati v širokem razponu ravni moči, od nekaj kilovatov do sto megavatov. Ker proizvodnja električne energije ni glavna naloga raziskovalnih reaktorjev, so zanje značilni ustvarjena toplotna energija, gostota in nazivna energija nevtronov v sredici. Prav ti parametri pomagajo kvantificirati sposobnost raziskovalnega reaktorja za izvajanje posebnih raziskav. Sistemi z nizko porabo energije se običajno uporabljajo na univerzah za namene poučevanja, medtem ko so sistemi visoke porabe potrebni v laboratorijih za raziskave in razvoj za testiranje materialov in zmogljivosti ter splošne raziskave.
Najpogostejši raziskovalni jedrski reaktor, katerega struktura in načelo delovanja sta naslednja. Njegova aktivna cona se nahaja na dnu velikega globokega bazena. To poenostavlja opazovanje in postavitev kanalov, skozi katere se lahko usmerjajo nevtronski žarki. Pri nizkih ravneh moči ni treba odzračevati hladilne tekočine, saj naravna konvekcija hladilne tekočine zagotavlja zadostno odvajanje toplote za ohranjanje varnega delovanja. Toplotni izmenjevalnik je običajno nameščen na površini ali na vrhu bazena, kjer se nabira vroča voda.
Namestitve na ladji
Izvirna in glavna uporaba jedrskih reaktorjev je v podmornicah. Njihova glavna prednost jeda za razliko od sistemov zgorevanja na fosilna goriva ne potrebujejo zraka za proizvodnjo električne energije. Zato lahko jedrska podmornica ostane potopljena dalj časa, medtem ko se mora običajna dizelsko-električna podmornica občasno dvigniti na površje, da zažene svoje motorje v zraku. Jedrska energija daje ladjam mornarice strateško prednost. Odpravlja potrebo po polnjenju goriva v tujih pristaniščih ali iz ranljivih tankerjev.
Načelo delovanja jedrskega reaktorja na podmornici je tajno. Znano pa je, da v ZDA uporablja visoko obogaten uran, upočasnitev in hlajenje pa izvaja lahka voda. Na načrtovanje prvega reaktorja jedrske podmornice USS Nautilus so močno vplivale močne raziskovalne zmogljivosti. Njegove edinstvene lastnosti so zelo velika meja reaktivnosti, ki zagotavlja dolgo obdobje delovanja brez dolivanja goriva in možnost ponovnega zagona po postanku. Elektrarna v podmornicah mora biti zelo tiha, da se prepreči zaznavanje. Da bi zadostili specifičnim potrebam različnih razredov podmornic, so bili ustvarjeni različni modeli elektrarn.
Letonosilke ameriške mornarice uporabljajo jedrski reaktor, katerega princip naj bi bil izposojen pri največjih podmornicah. Podrobnosti o njihovem dizajnu prav tako niso bile objavljene.
Poleg ZDA imajo jedrske podmornice Združeno kraljestvo, Francija, Rusija, Kitajska in Indija. V vsakem primeru zasnova ni bila razkrita, vendar se domneva, da so si vsi zelo podobni - toje posledica enakih zahtev za njihove tehnične lastnosti. Rusija ima tudi majhno floto ledolomilcev na jedrski pogon, ki imajo enake reaktorje kot sovjetske podmornice.
Industrijske instalacije
Za proizvodnjo orožnega plutonija-239 se uporablja jedrski reaktor, katerega načelo je visoka produktivnost z nizko stopnjo proizvodnje energije. To je posledica dejstva, da dolgo zadrževanje plutonija v jedru vodi do kopičenja neželenih 240Pu.
proizvodnja tritija
Trenutno je glavni material, ki ga proizvajajo takšni sistemi, tritij (3H ali T), naboj za vodikove bombe. Plutonij-239 ima dolgo razpolovno dobo 24.100 let, zato ga imajo države z arzenali jedrskega orožja, ki uporabljajo ta element, običajno več, kot potrebujejo. Za razliko od 239Pu ima tritij razpolovno dobo približno 12 let. Zato je treba ta radioaktivni izotop vodika nenehno proizvajati, da bi ohranili potrebne zaloge. V ZDA ima reka Savannah River v Južni Karolini na primer več reaktorjev za težko vodo, ki proizvajajo tritij.
Plavajoče pogonske enote
Ustvarjeni so bili jedrski reaktorji, ki lahko zagotovijo električno in parno ogrevanje oddaljenih izoliranih območij. V Rusiji so na primer našli uporabomajhne elektrarne, posebej zasnovane za oskrbo arktičnih skupnosti. Na Kitajskem elektrarna HTR-10 z močjo 10 MW dobavlja toploto in energijo raziskovalnemu inštitutu, kjer se nahaja. Na Švedskem in v Kanadi razvijajo majhne nadzorovane reaktorje s podobnimi zmogljivostmi. Med letoma 1960 in 1972 je ameriška vojska uporabljala kompaktne vodne reaktorje za napajanje oddaljenih oporišč na Grenlandiji in Antarktiki. Zamenjale so jih elektrarne na olje.
raziskovanje vesolja
Poleg tega so bili razviti reaktorji za napajanje in gibanje v vesolju. Med letoma 1967 in 1988 je Sovjetska zveza na satelite Kosmos namestila majhne jedrske naprave za napajanje opreme in telemetrije, vendar je ta politika postala tarča kritik. Vsaj eden od teh satelitov je vstopil v zemeljsko atmosfero, kar je povzročilo radioaktivno onesnaženje oddaljenih območij Kanade. Združene države so leta 1965 izstrelile samo en satelit na jedrski pogon. Še naprej pa se razvijajo projekti za njihovo uporabo v globokih vesoljskih poletih, raziskovanju drugih planetov s posadko ali na stalni lunini bazi. To bo nujno plinsko hlajen ali tekočekovinski jedrski reaktor, katerega fizikalni principi bodo zagotavljali najvišjo možno temperaturo, potrebno za zmanjšanje velikosti radiatorja. Poleg tega mora biti vesoljski reaktor čim bolj kompakten, da se zmanjša količina uporabljenega materialazaščito in zmanjšanje teže med izstrelitvijo in vesoljskim poletom. Rezerva goriva bo zagotovila delovanje reaktorja za celotno obdobje vesoljskega poleta.
