Enheten och principen för driften av en kärnreaktor är baserad på initiering och kontroll av en självuppehållande kärnreaktion. Den används som ett forskningsverktyg, för produktion av radioaktiva isotoper och som en kraftkälla för kärnkraftverk.
Kärnreaktor: hur det fungerar (kortfattat)
Här används kärnklyvningsprocessen, där en tung kärna bryts upp i två mindre fragment. Dessa fragment är i ett mycket exciterat tillstånd och avger neutroner, andra subatomära partiklar och fotoner. Neutroner kan orsaka nya klyvningar, som ett resultat av att fler neutroner emitteras, och så vidare. En sådan kontinuerlig självuppehållande serie av splittringar kallas en kedjereaktion. Samtidigt frigörs en stor mängd energi, vars produktion är syftet med att använda kärnkraftverk.
Principen för driften av en kärnreaktor och ett kärnkraftverk är sådan att cirka 85 % av fissionsenergin frigörs inom en mycket kort tidsperiod efter reaktionens start. Resten produceras iresultatet av det radioaktiva sönderfallet av fissionsprodukter efter att de har släppt ut neutroner. Radioaktivt sönderfall är den process genom vilken en atom når ett mer stabilt tillstånd. Det fortsätter även efter att divisionen är klar.
I en atombomb ökar kedjereaktionen i intensitet tills det mesta av materialet delas. Detta sker mycket snabbt, vilket ger de extremt kraftfulla explosioner som är karakteristiska för sådana bomber. Anordningen och principen för driften av en kärnreaktor bygger på att upprätthålla en kedjereaktion på en kontrollerad, nästan konstant nivå. Den är designad på ett sådant sätt att den inte kan explodera som en atombomb.
Kedjereaktion och kritik
Fysiken i en kärnklyvningsreaktor är att kedjereaktionen bestäms av sannolikheten för kärnklyvning efter utsläpp av neutroner. Om befolkningen i den senare minskar, kommer klyvningshastigheten så småningom att sjunka till noll. I detta fall kommer reaktorn att vara i ett subkritiskt tillstånd. Om populationen av neutroner hålls på en konstant nivå, kommer klyvningshastigheten att förbli stabil. Reaktorn kommer att vara i kritiskt tillstånd. Och slutligen, om populationen av neutroner växer över tiden, kommer klyvningshastigheten och kraften att öka. Kärnan kommer att bli superkritisk.
Principen för driften av en kärnreaktor är följande. Före lanseringen är neutronpopulationen nära noll. Operatörerna tar sedan bort styrstavarna från kärnan, vilket ökar kärnklyvningen, vilket temporärt översättsreaktorn till superkritiskt tillstånd. Efter att ha nått den nominella effekten, returnerar operatörerna delvis kontrollstavarna, och justerar antalet neutroner. I framtiden hålls reaktorn i ett kritiskt tillstånd. När den behöver stoppas sätter operatörerna in stängerna helt. Detta undertrycker fission och för kärnan till ett subkritiskt tillstånd.
Typer av reaktorer
De flesta av världens kärnkraftsanläggningar genererar energi och genererar den värme som behövs för att vända turbiner som driver elektriska kraftgeneratorer. Det finns också många forskningsreaktorer, och vissa länder har kärnkraftsdrivna ubåtar eller ytfartyg.
Kraftverk
Det finns flera typer av reaktorer av denna typ, men designen med lätt vatten har fått bred användning. I sin tur kan den använda tryckvatten eller kokande vatten. I det första fallet värms vätskan under högt tryck upp av värmen från kärnan och kommer in i ånggeneratorn. Där överförs värmen från primärkretsen till sekundärkretsen som också innehåller vatten. Den så småningom genererade ångan fungerar som arbetsvätska i ångturbincykeln.
Reaktorn av kokande typ arbetar enligt principen om en direkt energicykel. Vatten, som passerar genom den aktiva zonen, kokas vid en genomsnittlig trycknivå. Mättad ånga passerar genom en serie separatorer och torkar placerade i reaktorkärlet, vilket för den tillöverhettat tillstånd. Den överhettade vattenångan används sedan som arbetsvätska för att vända en turbin.
Högtemperaturgaskyld
The High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) är en kärnreaktor vars funktionsprincip är baserad på användningen av en blandning av grafit och bränslemikrosfärer som bränsle. Det finns två konkurrerande design:
- tyskt "påfyllnings"-system som använder sfäriska bränsleceller med en diameter på 60 mm, som är en blandning av grafit och bränsle i ett grafitskal;
- Amerikansk version i form av hexagonala grafitprismor som låser ihop för att bilda en aktiv zon.
I båda fallen består kylvätskan av helium vid ett tryck på cirka 100 atmosfärer. I det tyska systemet passerar helium genom luckor i lagret av sfäriska bränsleelement och i det amerikanska systemet genom hål i grafitprismor som ligger längs axeln i reaktorns centrala zon. Båda alternativen kan fungera vid mycket höga temperaturer, eftersom grafit har en extremt hög sublimeringstemperatur, medan helium är helt kemiskt inert. Het helium kan appliceras direkt som en arbetsvätska i en gasturbin vid hög temperatur, eller så kan dess värme användas för att generera ånga i vattenkretsloppet.
Flytande metallkärnreaktor: schema och funktionsprincip
Snabba neutronreaktorer med natriumkylvätska fick stor uppmärksamhet på 1960- och 1970-talen. Sedandet verkade som om deras förmåga att reproducera kärnbränsle inom en snar framtid var nödvändig för produktion av bränsle för den snabbt växande kärnkraftsindustrin. När det på 1980-talet stod klart att denna förväntning var orealistisk, mattades entusiasmen. Ett antal reaktorer av denna typ har dock byggts i USA, Ryssland, Frankrike, Storbritannien, Japan och Tyskland. De flesta av dem drivs med urandioxid eller dess blandning med plutoniumdioxid. I USA har dock den största framgången varit med metalliska bränslen.
CANDU
Kanada har fokuserat sina ansträngningar på reaktorer som använder naturligt uran. Detta eliminerar behovet av dess berikning att tillgripa tjänster från andra länder. Resultatet av denna politik var deuterium-uranreaktorn (CANDU). Kontroll och kylning i den utförs av tungt vatten. Anordningen och principen för driften av en kärnreaktor är att använda en tank med kall D2O vid atmosfärstryck. Kärnan är genomborrad av rör gjorda av zirkoniumlegering med naturligt uranbränsle, genom vilket tungt vatten kyler den. Elektricitet produceras genom att överföra klyvningsvärmen i tungt vatten till kylvätska som cirkulerar genom ånggeneratorn. Ångan i sekundärkretsen passerar sedan genom den normala turbincykeln.
Forskningsinstallationer
För vetenskaplig forskning används oftast en kärnreaktor, vars princip är att använda vattenkylning ochlamellära uranbränsleelement i form av sammansättningar. Kan arbeta över ett brett spektrum av effektnivåer, från några kilowatt till hundratals megawatt. Eftersom kraftproduktion inte är huvuduppgiften för forskningsreaktorer, kännetecknas de av den genererade termiska energin, densiteten och nominella energin hos neutroner i härden. Det är dessa parametrar som hjälper till att kvantifiera en forskningsreaktors förmåga att genomföra specifika undersökningar. Lågeffektsystem används vanligtvis på universitet i undervisningssyfte, medan högeffektsystem behövs i FoU-labb för material- och prestandatester och allmän forskning.
Den vanligaste forskningskärnreaktorn, vars struktur och funktionsprincip är följande. Dess aktiva zon ligger på botten av en stor djup vattenpool. Detta förenklar observationen och placeringen av kanaler genom vilka neutronstrålar kan riktas. Vid låga effektnivåer finns det inget behov av att tömma kylvätskan, eftersom kylvätskans naturliga konvektion ger tillräcklig värmeavledning för att upprätthålla ett säkert driftstillstånd. Värmeväxlaren är vanligtvis placerad på ytan eller på toppen av poolen där varmvatten samlas.
Fartygsinstallationer
Den ursprungliga och huvudsakliga användningen av kärnreaktorer är i ubåtar. Deras främsta fördel äratt de, till skillnad från förbränningssystem för fossila bränslen, inte kräver luft för att generera el. Därför kan en atomubåt förbli nedsänkt under långa perioder, medan en konventionell dieselelektrisk ubåt periodvis måste stiga upp till ytan för att starta sina motorer i luften. Kärnkraft ger en strategisk fördel till marinens fartyg. Det eliminerar behovet av att tanka i utländska hamnar eller från utsatta tankfartyg.
Principen för drift av en kärnreaktor på en ubåt är hemligstämplad. Det är dock känt att det i USA använder höganrikat uran, och att sakta ner och kyla sker med lätt vatten. Utformningen av den första reaktorn till atomubåten USS Nautilus var starkt påverkad av kraftfulla forskningsanläggningar. Dess unika egenskaper är en mycket stor reaktivitetsmarginal, vilket säkerställer en lång driftstid utan tankning och möjligheten att starta om efter ett stopp. Kraftstationen i subs måste vara mycket tyst för att undvika upptäckt. För att möta de specifika behoven hos olika klasser av ubåtar skapades olika modeller av kraftverk.
Den amerikanska flottans hangarfartyg använder en kärnreaktor, vars princip tros vara lånad från de största ubåtarna. Detaljer om deras design har inte heller släppts.
Förutom USA har Storbritannien, Frankrike, Ryssland, Kina och Indien atomubåtar. I varje fall avslöjades inte designen, men man tror att de alla är väldigt lika - dettaär en följd av samma krav på deras tekniska egenskaper. Ryssland har också en liten flotta av kärnkraftsdrivna isbrytare som har samma reaktorer som sovjetiska ubåtar.
Industriinstallationer
För tillverkning av plutonium-239 av vapenkvalitet används en kärnreaktor, vars princip är hög produktivitet med låg energiproduktion. Detta beror på det faktum att en lång vistelse av plutonium i kärnan leder till ackumulering av oönskade 240Pu.
Tritiumproduktion
För närvarande är det huvudsakliga materialet som produceras av sådana system tritium (3H eller T), laddningen för vätebomber. Plutonium-239 har en lång halveringstid på 24 100 år, så länder med kärnvapenarsenaler som använder detta element tenderar att ha mer av det än de behöver. Till skillnad från 239Pu har tritium en halveringstid på cirka 12 år. För att upprätthålla den nödvändiga försörjningen måste alltså denna radioaktiva isotop av väte produceras kontinuerligt. I USA har Savannah River, South Carolina, till exempel flera tungvattenreaktorer som producerar tritium.
Flytande kraftenheter
Kärnreaktorer har skapats som kan ge el och ånga uppvärmning till avlägsna isolerade områden. I Ryssland, till exempel, har hittat tillämpningsmå kraftverk speciellt utformade för att tjäna arktiska samhällen. I Kina levererar en 10 MW HTR-10-anläggning värme och kraft till forskningsinstitutet där den är belägen. Små kontrollerade reaktorer med liknande kapacitet utvecklas i Sverige och Kanada. Mellan 1960 och 1972 använde den amerikanska armén kompakta vattenreaktorer för att driva avlägsna baser på Grönland och Antarktis. De har ersatts av oljeeldade kraftverk.
Utforskning av rymden
Dessutom har reaktorer utvecklats för strömförsörjning och förflyttning i yttre rymden. Mellan 1967 och 1988 installerade Sovjetunionen små kärnkraftsinstallationer på Kosmos-satelliterna för att driva utrustning och telemetri, men denna politik blev ett mål för kritik. Minst en av dessa satelliter kom in i jordens atmosfär, vilket resulterade i radioaktiv kontaminering av avlägsna områden i Kanada. USA lanserade bara en kärnkraftsdriven satellit 1965. Emellertid fortsätter projekt för deras användning i djupa rymdflygningar, bemannad utforskning av andra planeter eller på en permanent månbas att utvecklas. Det kommer nödvändigtvis att vara en gaskyld eller flytande metall kärnreaktor, vars fysikaliska principer kommer att ge högsta möjliga temperatur som krävs för att minimera radiatorns storlek. Dessutom bör en rymdreaktor vara så kompakt som möjligt för att minimera mängden material som används tillskärmning och för att minska vikten under uppskjutning och rymdfärd. Bränslereserven kommer att säkerställa driften av reaktorn under hela rymdfärden.
