Ядрен реактор: принцип на действие, устройство и верига

Проектирането и експлоатацията на ядрения реактор се основава на инициализирането и контрола на самоустойчива ядрена реакция. Използва се като изследователски инструмент за производство на радиоактивни изотопи и като източник на енергия за атомни електроцентрали.

Ядрен реактор: принцип на работа (накратко)

Тук се използва процесът на ядрено делене, в който тежкото ядро ​​се разпада на два по-малки фрагмента. Тези фрагменти са в много възбудено състояние и излъчват неутрони, други субатомни частици и фотони. Неутроните могат да причинят нови делене, в резултат на което те се излъчват още повече и т.н. Такава непрекъсната самоустойчива серия от разцепвания се нарича верижна реакция. В същото време се разпределя голямо количество енергия, чието производство е предназначено за използване на атомни електроцентрали.

Принципът на действие на ядрения реактор и атомната електроцентрала е такъв, че колонията от 85% от разцепващата се енергия се освобождава в рамките на много кратък период от време след началото на реакцията. Останалата част е произведена в резултат на радиоактивно разпадане на продуктите на делене, след като излъчват неутрони. Радиоактивното разпадане е процес, при който атомът достига по-стабилно състояние. Тя продължава и след завършването на разделянето.

В ядрена бомба верижната реакция увеличава своята интензивност, докато по-голямата част от материала се разцепи. Това се случва много бързо, предизвиквайки изключително мощни експлозии, характерни за такива бомби. Проектирането и експлоатацията на ядрения реактор се основава на поддържане на верижна реакция на регулирано, почти постоянно ниво. Тя е проектирана по такъв начин, че да не може да експлодира като атомна бомба.

Реакция на веригата и критичност

Физиката на реактора за ядрено делене е, че верижната реакция се определя от вероятността за разделяне на ядрото след излъчването на неутрони. Ако населението на последния намалява, делът на делене в крайна сметка пада до нула. В този случай реакторът ще бъде в подкритично състояние. Ако неутронната популация се поддържа на постоянно ниво, тогава делът на делене ще остане стабилен. Реакторът ще бъде в критично състояние. И накрая, ако населението на неутроните се увеличи с времето, скоростта на разпадане и мощността ще се увеличат. Състоянието на ядрото става суперкритично.

Принципът на ядрения реактор е както следва. Преди пускането му неутронното население е близо до нула. След това операторите изваждат контролните пръти от сърцевината, като увеличават разпадането на ядрата, като временно преместват реактора в свръхкритично състояние. След достигане на номиналната мощност операторите частично връщат контролните пръти, регулиращи броя на неутроните. В бъдеще реакторът се поддържа в критично състояние. Когато трябва да бъде спрян, операторите вкарват прътите напълно. Това потиска разделянето и прехвърля активната зона в подкритично състояние.

Видове реактори

Повечето съществуващи ядрени инсталации в света са топлинна енергия, необходима за въртенето на турбините, които поставят в действие генератори на електрическа енергия. Има и много изследователски реактори, а в някои страни има подводници или повърхностни кораби, задвижвани от енергията на атома.

Електроцентрали

Има няколко типа реактори от този тип, но конструкцията върху лека вода е намерила широко приложение. На свой ред тя може да използва вода под налягане или вряща вода. В първия случай, течността под високо налягане се загрява от топлината на сърцевината и влиза в парогенератора. Там, топлината от първичния кръг се прехвърля в вторичния, съдържащ и вода. Получен в крайния анализ, парата служи като работен флуид в цикъла на парна турбина.

Реакторът с кипящ тип работи на принципа на директен енергиен цикъл. Водата, преминаваща през активната зона, се довежда до кипене при средно ниво на налягане. Наситената пара преминава през серия от сепаратори и сушилни, намиращи се в реактора, което води до прегряване. Прегрятата водна пара след това се използва като работен флуид, който върти турбината.

Висока температура с охлаждане на газ

Високотемпературният газ-охлаждан реактор (HTGR) е ядрен реактор, чийто принцип се основава на използването на смес от графит и горивни микросфери като гориво. Има два конкуриращи се дизайна:

• Германска "запълваща" система, която използва сферични горивни клетки с диаметър 60 mm, което е смес от графит и гориво в графитна обвивка;
• Американски вариант под формата на графитни шестоъгълни призми, които се прилепват, създавайки активна зона.

И в двата случая охлаждащата течност се състои от хелий под налягане от около 100 атмосфери. В германската система хелият преминава през пролуки в слой от сферични горивни клетки, и в САЩ - през отвори в графитни призми, разположени по оста на централната зона на реактора. И двата варианта могат да работят при много високи температури, тъй като графитът има изключително висока температура на сублимация, а хелият е напълно химически инертен. Горещият хелий може да се използва директно като работен флуид в газовата турбина при висока температура или неговата топлина може да се използва за генериране на пара от воден цикъл.

Течен метален реактор: Схема и принцип на работа

Реакторите на бързо неутрони с натриева охладителна течност бяха обръщани голямо внимание през 60-те и 70-те години. Тогава изглеждаше, че техните възможности за размножаване ядрено гориво в близко бъдеще са необходими за производството на гориво за бързо развиващата се ядрена промишленост. Когато през 80-те години стана ясно, че това очакване е нереалистично, ентусиазмът е погасен. Въпреки това, в САЩ, Русия, Франция, Великобритания, Япония и Германия са изградени редица реактори от този тип. Повечето от тях работят върху уран-диоксид или неговата смес с плутониев диоксид. В Съединените щати обаче най-големият успех се постига с металните горива.

CANDU

Канада насочи усилията си към реактори, използващи естествен уран. Това премахва необходимостта от обогатяването му да прибягва до услугите на други държави. Резултатът от тази политика е деутерий-урановият реактор (CANDU). Контролът и охлаждането в него се получава от тежка вода. Устройството и принципът на работа на ядрен реактор се състоят в използването на резервоар със студен D₂О при атмосферно налягане. Активната зона е пропукана с тръби от циркониева сплав с гориво от естествен уран, през което циркулира тежката водна охладителна система. Електричеството се произвежда чрез прехвърляне на топлината на делене в тежка вода в охлаждаща течност, която циркулира през парогенератора. Парата във вторичната верига след това преминава през обикновен турбинен цикъл.

Изследователски инсталации

Да провеждат научни изследвания, най-често използваният ядрен реактор, чийто принцип е използването на водни охладителни и плазмени уранови горивни клетки под формата на сглобки. Тя е в състояние да работи в широк диапазон от нива на мощност, от няколко киловата до стотици мегавата. Тъй като производството на електроенергия не е основната задача на изследователските реактори, те се характеризират с генерирана топлинна енергия, плътност и номиналната енергия на основните неутрони. Тези параметри помагат да се определи количествено способността на изследователския реактор да провежда конкретни разследвания. Системите с ниска мощност обикновено функционират в университетите и се използват за обучение и е необходима голяма мощ в изследователските лаборатории за изпитване на материали и характеристики и за общо изследване.

Най-често срещаният изследователски ядрен реактор, чиято структура и принцип на работа са следните. Активната й зона е разположена в долната част на голям дълбок басейн с вода. Това опростява наблюдението и разположението на каналите, чрез които могат да се насочват неутронни лъчи. При ниски нива на мощност не е необходимо да се изпомпва охлаждащата течност, тъй като за да се поддържа безопасно работно състояние, естествената конвекция на охлаждащата течност осигурява достатъчно отвеждане на топлината. Топлообменникът обикновено се намира на повърхността или в горната част на басейна, където се натрупва топла вода.

Корабни инсталации

Първоначалното и основното приложение на ядрените реактори е тяхното използване в подводниците. Основното им предимство е, че за разлика от системите за изгаряне на изкопаеми горива, те не се нуждаят от въздух за генериране на електричество. Следователно атомната подводница може да остане потопена за дълго време и конвенционалната дизело-електрическа подводница трябва периодично да се издига до повърхността, за да пусне двигателите си във въздуха. Ядрена енергетика дава стратегическо предимство на военноморските кораби. Поради това не е необходимо да се зареждат гориво в чуждестранни пристанища или от лесно уязвими танкери.

Принципът на експлоатация на ядрен реактор на подводница е класифициран. Известно е обаче, че в САЩ тя използва високо обогатен уран, а забавянето и охлаждането се получават от лека вода. Дизайнът на първия ядрен подводен реактор на USS Nautilus беше силно повлиян от мощни изследователски съоръжения. Неговите уникални характеристики са много голям резерв на реактивност, осигуряващ дълъг период на работа без зареждане с гориво и възможност за рестартиране след спиране. Енергийната станция в подводниците трябва да е много тиха, за да избегне откриването. За да отговори на специфичните нужди на различните класове подводници, бяха създадени различни модели на електроцентрали.

Авиокомпаниите на американските военноморски сили използват ядрен реактор, чийто принцип се смята за заимстван от най-големите подводници. Подробности за техния дизайн също не са публикувани.

В допълнение към Съединените щати, ядрени подводници се предлагат във Великобритания, Франция, Русия, Китай и Индия. Във всеки случай дизайнът не е разкрит, но се смята, че всички те са много сходни - това е следствие от същите изисквания за техните технически характеристики. Русия има и малка флота ядрени ледоразбивачи, на която са инсталирани същите реактори, както и на съветските подводници.

Индустриални растения

За производствени цели от плутоний-239 от оръжие Използва се ядрен реактор, чийто принцип е висока производителност при ниско енергийно производство. Това се дължи на факта, че продължителният престой на плутоний в ядрото води до натрупване на нежелани ²⁴⁰Пу.

Производство на тритий

Понастоящем основният материал, получен с помощта на такива системи, е тритий (³H или T) е таксата за водородни бомби. Плутоний-239 има дълъг полуживот от 24,100 години, така че страните с арсенали с ядрено оръжие, които използват този елемент, са склонни да имат повече от необходимото. за разлика от ²³⁹Pu, полуживотът на тритий е приблизително 12 години. По този начин, за да се поддържат необходимите запаси, този радиоактивен изотоп на водорода трябва непрекъснато да се произвежда. В САЩ например в река Савана (Южна Каролина) има няколко реактора за тежка вода, които произвеждат тритий.

Плаващи агрегати

Бяха създадени ядрени реактори, които могат да осигурят отдалечени изолирани зони с електричество и парно отопление. В Русия например бяха използвани малки електроцентрали, специално проектирани за обслужване на арктически селища. В Китай инсталацията с 10 MW HTR-10 доставя топлина и енергия на изследователския институт, в който се намира. Разработването на малки, автоматично контролирани реактори със сходни възможности е в ход в Швеция и Канада. Между 1960 и 1972 г. американската армия използва компактни водни реактори, за да осигури отдалечени бази в Гренландия и Антарктида. Те бяха заменени от черни нефтени електроцентрали.

Завладяването на пространството

Освен това реактори са разработени за захранване и движение в космическото пространство. Между 1967 и 1988 г. Съветският съюз инсталира малки ядрени инсталации за сателити от серията Cosmos за захранване на оборудване и телеметрия, но тази политика стана обект на критика. Поне един от тези спътници влезе в земната атмосфера, което доведе до радиоактивно замърсяване в отдалечени райони на Канада. През 1965 г. Съединените щати стартираха само един сателит с ядрен реактор. Въпреки това продължават да се разработват проекти за тяхното приложение в космически полети на дълги разстояния, изследване на останалите планети или на постоянна лунна база. Това задължително ще бъде газ-охладен или течен метален ядрен реактор, чиито физически принципи ще осигурят най-високата възможна температура, необходима за минимизиране на размера на радиатора. Освен това реакторът за космическа технология трябва да бъде възможно най-компактен, за да се сведе до минимум количеството използван материал за екраниране и да се намали теглото по време на изстрелване и полет в космоса. Резервоарът за гориво ще осигури работата на реактора за целия период на полет в космоса.