Nüvə reaktoru: əməliyyat prinsipi, cihaz və dövrə

Nüvə reaktorunun dizaynı və istismarı öz-özünə davam edən nüvə reaksiyasının başlanğıcı və nəzarətinə əsaslanır. Radioaktiv izotopların istehsalı və nüvə elektrik stansiyalarının enerji mənbəyi kimi tədqiqat vasitəsi kimi istifadə olunur.

Nüvə reaktor: əməliyyat prinsipi (qısaca)

Burada, ağır nüvənin iki kiçik parçaya bölündüyü nüvə parçalanma prosesi istifadə olunur. Bu fraqmentlər çox həyəcanlı vəziyyətdədir və neytronlar, digər subatomik hissəciklər və fotonlar çıxarır. Neytronlar yeni fəsillərə səbəb ola bilər, nəticədə onlar daha da yayılırlar və s. Belə bir davamlı self-susturma splittings seriyası zəncirvari reaksiya deyilir. Eyni zamanda, nüvə elektrik stansiyalarının istifadəsinin məqsədi olan böyük bir enerji ayrılır.

Nüvə reaktorunun və atom elektrik stansiyasının istifadəsi prinsipi belədir ki, parçalanma enerjisinin 85% -nin bir kolonu reaksiya başlamasından çox qısa bir müddət içində buraxılır. Qalanlar neytronları yaydıqdan sonra fission məhsullarının radioaktiv çöküntüsü nəticəsində yaranır. Radioaktiv çürük bir atomun daha sabit bir vəziyyətə çatdığı bir prosesdir. Bölmə tamamlandıqdan sonra davam edir.

Bir atom bomba zəncirvari reaksiya materialın əksəriyyəti parçalanana qədər intensivliyini artırır. Bu olduqca tez olur, belə bombalar üçün tipik olan çox güclü partlayışlar yaradır. Nüvə reaktorunun dizaynı və istismarı tənzimlənmiş, demək olar ki, sabit səviyyədə bir zəncirvari reaksiya saxlamağa əsaslanır. Belə bir şəkildə atom bombası kimi partlaya bilməyəcəyi nəzərdə tutulur.

Zəncir reaksiyası və kritiklik

Nüvə fission reaktorunun fizikası zəncirvari reaksiya neytronların emissiyası sonrasında nüvənin parçalanma ehtimalı ilə müəyyən edilir. Sonuncu əhalinin azalması halında, fission nisbəti nəticədə sıfıra düşür. Bu halda reaktor bir subkritik vəziyyətdə olacaq. Neytronların əhali sabit səviyyədə saxlanarsa, fisil dərəcəsi sabit qalacaqdır. Reaktor, kritik bir vəziyyətdə olacaq. Nəhayət, neytron nüfusu zamanla artarsa, fission nisbəti və güc artacaq. Nüvə dövləti çox kritik hala gəlir.

Nüvə reaktorunun fəaliyyət prinsipi aşağıdakı kimidir. Neytron əhalisi buraxılmasından əvvəl sıfıra yaxındır. Operatorlar daha sonra reaktorun süperkritik bir vəziyyətə keçirilməsini müvəqqəti olaraq nüvələrin parçalanmasını artıraraq, çekirdekdən idarəetmə çubuqlarını çıxarır. Nominal gücə çatdıqdan sonra operatorlar neytronların sayını tənzimləyən nəzarət çubuqlarını qismən qaytarırlar. Gələcəkdə reaktor kritik bir vəziyyətdə saxlanılır. Dayandırılması lazım olduqda, operatorlar çubuqları tamamilə yerləşdirirlər. Bu, bölünməni boğur və aktiv bölgəni subkritik bir vəziyyətə keçir.

Reaktorların növləri

Dünyada mövcud olan nüvə qurğularının əksəriyyəti hərəkət elektrik enerjisi generatorları təyin edən turbinlərin fırlanması üçün lazım olan enerji yaradır. Bir çox tədqiqat reaktoru var və bəzi ölkələrdə atomun enerjisi ilə idarə olunan sualtı və ya səth gəmiləri var.

Elektrik stansiyaları

Bu tip reaktorların bir neçə növü var, amma yüngül suda tikinti geniş tətbiq tapmışdır. Öz növbəsində təzyiq və ya qaynar su altında su istifadə edə bilər. Birinci halda, yüksək təzyiq altında olan sıvı nüvənin istiliyi ilə isidilir və buxar generatoruna daxil olur. Birincil dövrdən istilik ikinci dövrəyə, həmçinin su ehtiva edir. Son analizdə yaradılan buxar buxar turbinin dövründə işləyən maye kimi xidmət edir.

Qaynar tipli reaktor birbaşa enerji dövrü prinsipi üzərində işləyir. Aktiv zonadan keçən su, orta təzyiq səviyyəsində bir qaynağa gətirilir. Doymuş buxar reaktorda yerləşən bir sıra ayırıcılar və kurutuculardan keçir və bu, çox isti vəziyyətə gətirib çıxarır. Superheated su buxarı sonra turbini fırlanan işçi mayesi kimi istifadə edilir.

Qazlı soyutma ilə yüksək temperatur

Yüksək temperaturlu qaz-soyudulmuş reaktor (HTGR) bir qətti və yanacaq mikrosferlərindən bir yanacaq kimi qarışıqdan istifadə edilməsinə əsaslanan nüvə reaktorudur. İki rəqabət dizaynı var:

• Qrafit qabığında qrafit və yanacaq qarışığı olan 60 mm diametrli külək yanacaq hüceyrələrini istifadə edən Alman "qaynaq dolu" sistemi;
• Fəal zona yaratmaqla bağlı olan qrafit altıbucaqlı prizmalar şəklində Amerika variantları.

Hər iki halda, soyutma sıvısı təxminən 100 atmosfer təzyiq altında helyumdan ibarətdir. Alman sistemində helyum külək yanacaq hüceyrələrinin qatında boşluqlardan və Amerika sistemində reaktorun mərkəzi zonasının oxunda yerləşən qrafit prizmalarında olan deliklər vasitəsilə keçir. Hər iki variant çox yüksək temperaturda işləyə bilər, çünki qrafit olduqca yüksək bir sublimasiya temperatura malikdir və helyum tamamilə kimyəvi cəhətdən inertdir. Seksual helyum yüksək temperaturda bir qaz turbinində işləyən bir maye kimi istifadə edilə bilər və ya istilik su dövrünün buxarını yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.

Maye Metal Reaktor: Sxem və Əməliyyat prinsipi

1960 və 1970-ci illərdə natrium soyuducu ilə sürətli neytronların reaktorlarına böyük diqqət yetirilmişdir. Bundan sonra yaxın gələcəkdə nüvə yanacağının təkrar yetişdirilməsi onların sürətli inkişaf edən nüvə sənayesi üçün yanacağın istehsalı üçün lazımlı gibiyidir. 1980-ci illərdə bu gözləntinin qeyri-real olduğu aydın oldu, həyəcan söndürüldü. Bununla belə, bu tip bir reaktor ABŞ, Rusiya, Fransa, Böyük Britaniya, Yaponiya və Almaniyada inşa edilmişdir. Onların əksəriyyəti uran dioksid və ya plütonium dioksidlə qarışığı üzərində işləyir. Birləşmiş Ştatlarda isə ən böyük müvəffəqiyyət, metal yanacaqlarla əldə edildi.

CANDU

Kanada təbii uranı istifadə edən reaktorlara öz səylərini yönəldirdi. Bu, digər ölkələrin xidmətlərinə müraciət etmək üçün zənginləşdirmə ehtiyacını aradan qaldırır. Bu siyasətin nəticəsi deuterium-uran reaktoru (CANDU) idi. İçində nəzarət və soyutma ağır su ilə çıxarılır. Nüvə reaktoru qurğusu və iş prinsipi atmosfer təzyiqində soyuq D ₂ O olan bir tankın istifadəsindən ibarətdir. Aktiv zona zirconium alaşımlı borularla təbii uranın yanacağı ilə nüfuz edir, bunun vasitəsilə ağır suyun soyudulması. Elektrik, buxar generatoru vasitəsilə yayılmış bir soyuducu sıxma üçün ağır suda parçalanma istiliyini ötürərək istehsal edilir. İkinci dövrədə buxar normal turbin dövründən keçir.

Araşdırma qurğuları

Elmi tədqiqatların aparılması üçün ən çox istifadə edilən nüvə reaktoru, prinsipi su soyutma və plitə kimi uran yanacaq hüceyrələrini toplaşmalar şəklində istifadə etməkdir. Bir neçə kilovatdan yüzlərlə meqavata qədər gücün müxtəlif səviyyələrində fəaliyyət göstərə bilir. Elektroenergetika tədqiqat reaktorlarının əsas vəzifəsi olmadığı üçün, onlar yaranan istilik enerjisi, sıxlıq və əsas neytronların nominal enerji ilə xarakterizə olunur. Tədqiqat reaktorinin xüsusi araşdırmalar aparmaq qabiliyyətini müəyyənləşdirməyə kömək edən bu parametrlərdir. Aşağı güclü sistemlər universitetlərdə fəaliyyət göstərməyə meyl edir və təlim üçün istifadə olunur, test materialları və xüsusiyyətləri və ümumi tədqiqatlar üçün tədqiqat laboratoriyalarında yüksək güc tələb olunur.

Ən ümumi araşdırma nüvə reaktoru, quruluşu və fəaliyyət prinsipi aşağıdakılardır. Faiz zonası böyük bir dərin hövzənin aşağı hissəsində su ilə yerləşir. Bu, neytron şüalarının yönəldiləcəyi kanalların müşahidəsi və yerləşdirilməsini asanlaşdırır. Güclü enerji səviyyələrində, soyuducunun nəql edilməsi lazım deyil, çünki təhlükəsiz bir işləmə vəziyyətini təmin etmək üçün soyuducunun təbii konveksiyası kifayət qədər istilik çıxarılmasını təmin edir. Bir qayda olaraq, istilik mübadiləsi havuzun üst hissəsində və ya isti suyun yığılmasında yerləşir.

Gəmi qurğuları

Nüvə reaktorlarının ilkin və əsas tətbiqi sualtılarda istifadə olunur. Onların əsas üstünlüyü ondan ibarətdir ki, fosil yanacaqlarının yanma sistemlərindən fərqli olaraq, onlar elektrik enerjisi istehsalına ehtiyac duymur. Nəticədə, bir atom sualtı mühərriki uzun müddət daldırılıb qalır və mühərrikləri havaya başlamaq üçün konvensional dizel-elektrikli sualtı səthinə mütəmadi olaraq yüksəlməlidir. Nüvə enerjisi dəniz gəmilərinə strateji üstünlük verir. Bununla əlaqədar xarici limanlarda və ya asanlıqla zəif olan tankerlərdən yanacaq doldurmağa ehtiyac yoxdur.

Bir sualtı nüvə reaktorunun fəaliyyət prinsipi təsnif edilir. Bununla belə, ABŞ-da yüksək zənginləşdirilmiş uranı istifadə edir, yavaşlama və soyutma isə yüngül su ilə hazırlanır. İlk USS Nautilus nüvə sualtı reaktoru dizaynı güclü araşdırma qurğuları tərəfindən güclü şəkildə təsirləndi. Onun unikal xüsusiyyətləri, reaktivliyin çox böyük bir ehtiyatıdır və yanacaq vermədən uzun müddət istismar verə bilər və dayanmadan sonra yenidən başlamağa imkan verir. Dənizdəki elektrik stansiyası aşkarlanmamaq üçün çox sakit olmalıdır. Dənizdəki müxtəlif sualtı sinflərinin xüsusi tələbatlarını ödəmək üçün elektrik stansiyalarının müxtəlif modelləri yaradılmışdır.

ABŞ Dəniz təyyarəsi daşıyıcıları nüvə reaktorundan istifadə edirlər ki, onların fəaliyyət prinsipi ən böyük dənizaltılardan borclanmaqdadır. Dizaynlarının detalları da nəşr olunmayıb.

ABŞ-a əlavə olaraq, nüvə sualtı qayıqlar Britaniya, Fransa, Rusiya, Çin və Hindistanda mövcuddur. Hər halda, dizayn açıqlanmır, lakin onların hamısı bir-birinə bənzərdir - bu, onların texniki xüsusiyyətləri üçün eyni tələblərin nəticəsidir. Rusiya da, eyni reaktorların quraşdırıldığı, sovet sualtı qayıqları kimi kiçik bir nüvə buzluluq filosuna malikdir.

Sənaye bitkiləri

Silah dərəcəli plutonium-239 istehsalı üçün nüvə reaktor istifadə olunur, iş prinsipi aşağı səviyyədə enerji istehsalı ilə yüksək məhsuldarlıqdır. Bu əsasda plutoniumun uzun müddət qalması, arzuolunmaz ²⁴⁰ Pu yığılmasına gətirib çıxarır.

Tritium istehsalı

Hal hazırda bu sistemlər tərəfindən əldə edilən əsas material tritiumdur ( ³ H və ya T) - hidrogen bombaları üçün yüklənir. Plutonium-239 uzun bir yarım ömrü 24.100 ildir, belə ki, bu elementi istifadə edən nüvə silahı silahlı ölkələr lazım olandan daha çoxdur. ²³⁹ Pu'dan fərqli olaraq, tritiumun yarı ömrü təxminən 12 ildir. Beləliklə, zəruri ehtiyatları saxlamaq üçün hidrogenin bu radioaktiv izotopu davamlı olaraq istehsal edilməlidir. Məsələn, ABŞ-da, Savannah çayı (Cənubi Karolina), tritium istehsal edən bir neçə ağır su reaktorları var.

Üzən gücü birləşmələri

Uzaq təcrid olunmuş ərazilərdə elektrik və buxar istilik sistemi ilə təmin edilə bilən nüvə reaktorları tikilmişdir. Rusiyada, məsələn, arktik qəsəbələrin xidmət göstərilməsi üçün xüsusi olaraq hazırlanmış kiçik elektrik stansiyaları istifadə edilmişdir. Çində 10 MW HTR-10 qurğusu istilik və elektrik enerjisi ilə təchiz edilmiş tədqiqat institutuna verir. İsveç və Kanadada oxşar imkanlara malik kiçik, avtomatik olaraq idarə olunan reaktorların inkişafı aparılır. 1960 və 1972-ci illər arasında ABŞ Ordusu Qrandland və Antarktikada uzaq bazaları təmin etmək üçün kompakt su reaktorlarından istifadə etmişdir. Onlar qara neft elektrik stansiyaları ilə əvəz edilmişdir.

Məkanın fəthi

Bundan əlavə, reaktorlar enerji təchizatı və xarici kosmosda hərəkət üçün hazırlanmışdır. 1967-1988-ci illərdə Sovet İttifaqı Cosmos seriyasını avadanlıq və telemetri təchiz etmək üçün kiçik nüvə qurğuları quraşdırdı, lakin bu siyasət tənqid hədəfi oldu. Bu peyklərdən ən az biri Yerin atmosferinə daxil olub, Kanada ərazilərinin radioaktiv çirklənməsinə səbəb oldu. 1965-ci ildə ABŞ nüvə reaktoru ilə yalnız bir peyk buraxdı. Uzunmüddətli kosmik missiyalarda, digər planetlərin və ya daimi ay bazasında insanlı araşdırmalarda istifadə üçün layihələr inkişaf etdirilməyə davam edir. Bu, mütləq radiatorun ölçüsünü minimuma endirmək üçün lazım olan ən yüksək temperaturun təmin edilməsi üçün fiziki prinsipləri olan qaz-soyudulmuş və ya maye metal nüvə reaktoru olacaqdır. Bundan əlavə, kosmik texnologiyası üçün reaktor, fırlanma zamanı və kosmosda uçuş zamanı çəki azaltmaq üçün istifadə olunan materialların sayını minimuma endirmək üçün mümkün qədər sıx olmalıdır. Yakıt ehtiyatı, reaktörün bütün uçuş müddətində çalışmasını təmin edəcək.