Reactor nuclear: principiu de funcționare, dispozitiv și circuit

Proiectarea și funcționarea reactorului nuclear se bazează pe inițierea și controlul unei reacții nucleare autonome. Este folosit ca instrument de cercetare pentru producerea izotopilor radioactivi și ca sursă de energie pentru centralele nucleare.

Reactor nuclear: principiul muncii (pe scurt)

Aici se utilizează procesul de fisiune nucleară, în care nucleul greu se descompune în două fragmente mai mici. Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni. Neutronii pot provoca fisiuni noi, ca urmare a faptului că sunt radiate și mai mult și așa mai departe. O astfel de serie continuă auto-susținută de despicare se numește o reacție în lanț. În același timp, este alocată o cantitate mare de energie, a cărei producție are ca scop utilizarea centralelor nucleare.

Principiul de funcționare a unui reactor nuclear și o centrală nucleară este astfel încât 85% din energia coloniilor de divizare este eliberată într-un timp foarte scurt după începerea reacției. Restul este produs ca rezultat al decăderii radioactive a produselor de fisiune, după ce au radia neutronii. Degradarea radioactivă este un proces în care un atom atinge o stare mai stabilă. Aceasta continuă după finalizarea diviziunii.

Într-o bombă nucleară, reacția în lanț își mărește intensitatea până când cea mai mare parte a materialului este împărțită. Acest lucru se întâmplă foarte repede, producând explozii extrem de puternice, tipice pentru astfel de bombe. Proiectarea și funcționarea reactorului nuclear se bazează pe menținerea unei reacții în lanț la un nivel reglementat, aproape constant. Este proiectat astfel încât să nu poată exploda ca o bombă atomică.

Reacția lanțului și criticitatea

Fizica reactorului de fisiune nucleară este că reacția în lanț este determinată de probabilitatea de divizare a nucleului după emisia de neutroni. Dacă populația celor din urmă scade, rata de fisiune va scădea în cele din urmă la zero. În acest caz, reactorul va fi într-o stare subcritică. Dacă populația de neutroni este menținută la un nivel constant, atunci rata de fisiune va rămâne stabilă. Reactorul va fi în stare critică. Și, în final, dacă populația de neutroni crește odată cu timpul, rata de fisiune și puterea vor crește. Starea nucleului devine supercritică.

Principiul reactorului nuclear este după cum urmează. Înainte de lansare, populația de neutroni este aproape de zero. Operatorii apoi scoate tijele de control de la miez, crescând fisiunea nucleelor, trecând temporar reactorul într-o stare supercritică. După atingerea puterii nominale, operatorii revin parțial tijele de control, regulând numărul de neutroni. În viitor, reactorul este menținut într-o stare critică. Atunci când trebuie oprită, operatorii introduc tijele complet. Aceasta suprimă divizarea și transferă zona activă într-o stare subcritică.

Tipuri de reactoare

Cele mai multe dintre instalațiile nucleare existente din lume sunt căldură generatoare de energie necesară pentru rotația turbinelor, care au pus în mișcare generatoare de energie electrică. Există, de asemenea, numeroase reactoare de cercetare, iar unele țări au submarine sau nave de suprafață conduse de energia atomului.

Centrale electrice

Există mai multe tipuri de reactoare de acest tip, dar construcția pe apă ușoară a găsit o aplicare largă. La rândul său, poate folosi apă sub presiune sau apă clocotită. În primul caz, lichidul sub presiune înaltă este încălzit de căldura miezului și intră în generatorul de abur. Acolo, căldura de la circuitul primar este transferată în circuitul secundar, care conține și apă. Generat în analiza finală, aburul servește drept fluid de lucru în ciclul unei turbine cu abur.

Reactorul de tip fierbinte funcționează pe principiul unui ciclu energetic direct. Apa, care trece prin zona activă, este adusă la fierbere la un nivel mediu de presiune. Aburul saturat trece printr-o serie de separatoare și uscătoare situate în vasul reactorului, ceea ce duce la o stare supraîncălzită. Vaporii de apă supraîncălziți sunt apoi utilizați ca un fluid de lucru care rotește turbina.

Temperatură ridicată cu răcire cu gaz

reactor cu temperatură ridicată răcite cu gaz (HTGR) - un reactor nuclear, principiul de funcționare se bazează pe utilizarea de grafit ca amestec combustibil de combustibil și microsfere. Există două modele concurente:

• Sistemul de "backfill" din Germania care utilizează celule de combustie sferice cu un diametru de 60 mm, care este un amestec de grafit și combustibil într-un înveliș de grafit;
• Varianta americană sub formă de prisme hexagonale de grafit, care aderă, creând o zonă activă.

În ambele cazuri, lichidul de răcire constă din heliu sub o presiune de aproximativ 100 atmosfere. În sistemul german, heliul trece prin goluri într-un strat de sferic pile de combustie, și în SUA - prin găuri în prisme de grafit situate de-a lungul axei zonei centrale a reactorului. Ambele variante pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, deoarece grafitul are o temperatură de sublimare extrem de ridicată, iar heliul este complet inert chimic. Hot heliul poate fi utilizat direct ca fluid de lucru într-o turbină cu gaz la temperaturi ridicate sau căldura sa poate fi utilizată pentru a genera aburul unui ciclu de apă.

Reactor metalic lichid: Schema și principiul funcționării

Reactorii de pe neutronii rapizi cu un lichid de răcire de sodiu au avut o atenție deosebită în anii 1960 și 1970. Apoi se părea că posibilitățile lor de reproducere combustibil nuclear în viitorul apropiat, sunt necesare pentru producerea de combustibili pentru industria nucleară cu dezvoltare rapidă. Când în anii 1980 a devenit clar că această așteptare era nerealistă, entuziasmul era stins. Cu toate acestea, un număr de reactoare de acest tip au fost construite în SUA, Rusia, Franța, Marea Britanie, Japonia și Germania. Cele mai multe dintre ele lucrează la dioxid de uraniu sau la amestecul său cu dioxid de plutoniu. În Statele Unite, cu toate acestea, cel mai mare succes a fost obținut cu combustibili metalici.

CANDU

Canada și-a concentrat eforturile asupra reactoarelor care utilizează uraniu natural. Acest lucru elimină necesitatea îmbogățirii sale de a recurge la serviciile altor țări. Rezultatul acestei politici a fost reactorul de deuteriu-uraniu (CANDU). Controlul și răcirea în acesta sunt produse de apă grea. Dispozitivul și principiul de funcționare a unui reactor nuclear constă în utilizarea unui rezervor cu un D rece₂O la presiune atmosferică. Zona activă este permeată cu țevi din aliaj de zirconiu cu combustibil din uraniu natural, prin care circulă răcirea cu apă grea. Electricitatea este produsă prin transferarea căldurii de fisiune în apă grea către un fluid de răcire care circulă prin generatorul de abur. Aburul din circuitul secundar trece apoi printr-un ciclu obișnuit al turbinei.

Instalații de cercetare

Pentru cercetare reactor nuclear este cel mai des folosit, principiul care constă în utilizarea elementelor de placă de răcire cu apă și uraniu în ansamblurile de formă. Capabile să funcționeze într-o gamă largă de niveluri de putere de la câteva sute de kilowați la megawați. Deoarece generarea de energie nu este obiectivul principal al reactoarelor de cercetare, acestea sunt caracterizate prin energia termică generată, iar densitatea neutronilor energetice nominale de bază. Acești parametri ajută la cuantificarea capacității reactorului de cercetare de a efectua investigații specifice. Sisteme de consum redus de energie tind să funcționeze la universități și sunt folosite pentru formare, și este nevoie de mare putere în laboratoarele de cercetare pentru materiale și caracteristici de testare, precum și pentru cercetarea generală.

Cel mai obișnuit reactor nuclear de cercetare, structura și principiul de funcționare a acestuia sunt după cum urmează. Zona activă este situată în partea inferioară a unui bazin mare adânc cu apă. Acest lucru simplifică observarea și plasarea canalelor prin care pot fi direcționate fasciculele de neutroni. La niveluri scăzute de putere, nu este necesar să pompați lichidul de răcire, deoarece pentru a menține o stare de lucru sigură, convecția naturală a agentului de răcire asigură o îndepărtare suficientă a căldurii. Schimbătorul de căldură, de regulă, este situat pe suprafața sau în partea superioară a piscinei, unde se acumulează apă caldă.

Instalații navale

Aplicarea inițială și principală a reactoarelor nucleare este utilizarea lor în submarine. Principalul lor avantaj este acela că, spre deosebire de sistemele de ardere a combustibililor fosili pentru generarea de energie electrică care nu au nevoie de aer. În consecință, submarin nuclear poate rămâne scufundat pentru o lungă perioadă de timp, și submarin convențional diesel-electrice trebuie să crească în mod periodic la suprafață, pentru a rula motoarele lor aeriene. Energie nucleară oferă un avantaj strategic navelor din Marina. Datorită acestui fapt nu este nevoie de alimentarea cu combustibil în porturile străine sau de la tancurile ușor vulnerabile.

Se clasifică principiul funcționării unui reactor nuclear pe un submarin. Cu toate acestea, se știe că în SUA se utilizează uraniu foarte îmbogățit, iar încetinirea și răcirea sunt produse de apă ușoară. Proiectarea primului reactor nuclear submarin USS Nautilus a fost puternic influențată de facilități de cercetare puternice. Caracteristicile sale unice sunt o rezervă foarte mare de reactivitate, oferind o perioadă lungă de funcționare fără realimentare și posibilitatea de a reporni după o oprire. Stația electrică din submarine trebuie să fie foarte liniștită pentru a evita detectarea. Pentru a satisface nevoile specifice ale diferitelor clase de submarine, au fost create diferite modele de centrale electrice.

Purtătorii de nave americani folosesc un reactor nuclear, principiul căruia se crede că este împrumutat de la cele mai mari submarine. De asemenea, nu au fost publicate detalii privind designul acestora.

În plus față de Statele Unite, submarinele nucleare sunt disponibile în Marea Britanie, Franța, Rusia, China și India. În fiecare caz, proiectul nu a fost dezvăluit, dar se crede că toate sunt foarte asemănătoare - aceasta este o consecință a acelorași cerințe pentru caracteristicile lor tehnice. Rusia are, de asemenea, o flotă mică grătarele de gheață nucleare, pe care au fost instalate aceleași reactoare, ca și submarinele sovietice.

Plante industriale

În scopuri de producție de plutoniu-239 de arme Se utilizează un reactor nuclear, principiul căruia este o productivitate ridicată, cu o producție redusă de energie. Acest lucru se datorează faptului că o ședere prelungită de plutoniu în miez duce la acumularea de substanțe nedorite ²⁴⁰Pu.

Producția de tritiu

În prezent, materialul principal obținut cu ajutorul acestor sisteme este tritiumul (³H sau T) este taxa pentru bombe cu hidrogen. Plutoniul-239 are un timp de înjumătățire lung de 24 100 de ani, astfel încât țările cu arsenale de arme nucleare care utilizează acest element tind să aibă mai mult decât este necesar. spre deosebire de ²³⁹Pu, timpul de înjumătățire al tritiului este de aproximativ 12 ani. Astfel, pentru a menține rezervele necesare, acest izotop radioactiv al hidrogenului trebuie produs în mod continuu. În SUA, de exemplu, în râul Savannah (Carolina de Sud) există mai multe reactoare de apă grea care produc tritiu.

Unități de alimentare plutitoare

Au fost create reactoare nucleare care pot asigura zone izolate la distanță cu încălzire electrică și cu aburi. În Rusia, de exemplu, au fost folosite mici centrale electrice special concepute pentru deservirea așezărilor arctice. În China, o instalație de 10 MW HTR-10 furnizează căldură și energie pentru institutul de cercetare în care se află. Dezvoltarea unor reactoare mici, controlate automat, cu capacități similare, este în curs de desfășurare în Suedia și Canada. Între anii 1960 și 1972, armata americană a folosit reactoare compacte de apă pentru a furniza baze de la distanță în Groenlanda și Antarctica. Ele au fost înlocuite cu centrale electrice de petrol negru.

Cucerirea spațiului

În plus, reactoarele au fost dezvoltate pentru alimentarea cu energie și mișcarea în spațiul cosmic. Între anii 1967 și 1988, Uniunea Sovietică a instalat mici instalații nucleare pentru sateliții din seria Cosmos pentru alimentarea echipamentelor și a telemetriei, însă această politică a devenit ținta criticilor. Cel puțin unul dintre acești sateliți a intrat în atmosfera Pământului, ceea ce a dus la contaminarea radioactivă în zone îndepărtate din Canada. Statele Unite au lansat un singur satelit cu un reactor nuclear în 1965. Cu toate acestea, continuă să se dezvolte proiectele de aplicare a acestora în zborurile spațiale cu rază lungă de acțiune, studiile efectuate de alte planete sau pe o bază lunară permanentă. Acest lucru va fi în mod necesar un reactor nuclear răcit cu gaz sau metal lichid, ale cărui principii fizice vor asigura cea mai mare temperatură posibilă pentru a minimiza dimensiunea radiatorului. În plus, reactorul pentru tehnologia spațială ar trebui să fie cât mai compact posibil pentru a minimiza cantitatea de material utilizat pentru ecranare și pentru a reduce greutatea în timpul lansării și al zborului în spațiu. Rezerva de combustibil va asigura funcționarea reactorului pe toată durata zborului spațial.