Reaktor nuklear: prinsip-prinsip operasi, dan litar unit

Reka bentuk dan operasi reaktor nuklear berdasarkan pengawalan dan kawalan berdikari tindak balas nuklear. Ia digunakan sebagai alat kajian untuk pengeluaran isotop radioaktif dan sebagai sumber tenaga untuk loji kuasa nuklear.

reaktor nuklear: prinsip operasi (pendek)

Yang digunakan di sini proses pembelahan di mana nukleus berat berpecah kepada dua serpihan kecil. Serpihan berada di dalam keadaan yang sangat teruja dan mengeluarkan neutron, dan zarah subatom lain dan foton. Neutron boleh menimbulkan perpecahan baru akibat daripada mana ia dipancarkan lebih, dan sebagainya. nombor berdikari ini berterusan peleraian dipanggil tindak balas rantai. Pada masa yang sama, sejumlah besar tenaga, pengeluaran yang adalah matlamat penggunaan tenaga nuklear.

Prinsip operasi reaktor nuklear dan loji tenaga nuklear adalah seperti yang 85% daripada tenaga jajahan membelah dilepaskan dalam masa yang singkat selepas permulaan tindak balas. Bahagian yang selebihnya dihasilkan oleh pereputan radioaktif produk pembelahan, selepas mereka menolak neutron. pereputan radioaktif ialah proses di mana atom mencapai keadaan mantap. Dia terus dan selepas pembahagian.

Atom tindak balas rantai bom meningkatkan intensiti, sehingga kebanyakan bahan akan berpecah. Ini berlaku dengan cepat, menghasilkan letupan yang sangat kuat ciri bom itu. Mekanisme dan operasi reaktor nuklear berdasarkan prinsip mengekalkan tindak balas rantai yang terdapat pada tahap hampir malar yang dikawal selia. Ia direka supaya meletup bom atom sebagai tidak boleh.

Reaksi berantai dan kritikan

Fizik pembelahan reaktor ditentukan bahawa kebarangkalian tindak balas rantai selepas pelepasan neutron pembelahan nuklear. Jika penduduk baru-baru ini berkurangan, kadar bahagian pada akhirnya akan jatuh kepada sifar. Dalam kes ini reaktor akan berada dalam keadaan subgenting. Jika penduduk neutron dikekalkan pada tahap yang tetap, kadar pembelahan akan kekal stabil. reaktor akan berada di dalam keadaan kritikal. Dan akhirnya, jika dari masa ke masa penduduk neutron tumbuh, membahagikan kelajuan dan kuasa akan meningkat. negeri teras menjadi genting lampau.

Prinsip operasi reaktor nuklear yang akan datang. Sebelum memulakan penduduk neutron adalah hampir sifar. Kemudian, pengendali mengeluarkan rod kawalan dari teras, meningkatkan teras bahagian yang sementara menukarkan reaktor dalam keadaan genting lampau. Setelah mencapai pengendali kuasa undian sebahagiannya kembali rod kawalan, melaraskan jumlah neutron. Selepas itu reaktor itu disenggarakan dalam keadaan kritikal. Apabila ia adalah perlu untuk menghentikan, pengendali memasukkan rod sepenuhnya. Ini menyekat bahagian dan meletakkan teras di negeri subgenting.

jenis reaktor

Sebahagian besar tenaga yang sedia ada menjana haba yang diperlukan untuk memacu turbin, yang memandu penjana elektrik pepasangan nuklear di dunia. Juga, terdapat banyak reaktor penyelidikan, dan beberapa negara yang mempunyai kapal selam atau kapal permukaan, didorong oleh tenaga atom.

loji kuasa

Terdapat beberapa spesies jenis ini reaktor, tetapi digunakan secara meluas reka bentuk air ringan. Sebaliknya, ia boleh digunakan dalam air bertekanan atau air mendidih. Dalam kes pertama cecair tekanan tinggi dipanaskan oleh haba teras dan memasuki penjana stim. Di sana, haba dari sekolah rendah ke litar sekunder diluluskan, yang terdiri daripada lebih air. Stim dijana akhirnya berfungsi sebagai bendalir kerja dalam kitaran turbin wap.

reaktor adalah sejenis didih berfungsi pada prinsip kitaran tenaga langsung. Air melalui teras, membawa sehingga mendidih dengan tahap tekanan sederhana. wap tepu melalui satu siri pemisah dan pengering dilupuskan dalam bekas reaktor, menyebabkan negeri sverhperegretoe itu. Stim panas lampau kemudiannya digunakan sebagai bendalir kerja, turbin berputar.

Suhu tinggi gas sejuk

Suhu tinggi reaktor gas sejuk (HTGR) - reaktor nuklear, prinsip operasi adalah berdasarkan kepada penggunaan grafit sebagai campuran bahan api bahan api dan mikrosfera. Terdapat dua reka bentuk yang bertanding:

• Jerman "longgar-fill" sistem, yang menggunakan unsur-unsur bahan api sfera 60 mm diameter, yang terdiri daripada campuran bahan api dan grafit dalam shell grafit;
• versi Amerika yang prisma heksagon grafit yang berpaut untuk mewujudkan teras.

Dalam kedua-dua kes, cecair penyejuk terdiri daripada helium di bawah tekanan kira-kira 100 atmosfera. Sistem helium Jerman melalui jurang dalam lapisan sfera unsur-unsur bahan api, dan di Amerika Syarikat - melalui lubang di bahagian prisma grafit diatur di sepanjang paksi tengah teras reaktor. Kedua-dua pilihan boleh beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, kerana grafit mempunyai suhu pemejalwapan sangat tinggi, dan helium lengai secara kimia sepenuhnya. helium panas boleh digunakan secara langsung sebagai bendalir bekerja di sebuah turbin gas pada suhu yang tinggi atau haba boleh digunakan untuk menjana air kitaran wap.

Cecair logam reaktor nuklear: litar dan prinsip kerja

reaktor cepat dengan natrium penyejuk telah mendapat perhatian besar dalam 1960-1970 ini. Maka ia seolah-olah bahawa keupayaan mereka untuk menghasilkan semula bahan api nuklear dalam masa terdekat diperlukan untuk menghasilkan bahan api bagi industri nuklear yang pesat berubah. Apabila ia menjadi jelas bahawa harapan ini adalah tidak realistik, semangat berkurangan pada 1980-an. Walau bagaimanapun, di Amerika Syarikat, Rusia, Perancis, Britain, Jepun dan Jerman membina satu siri reaktor jenis ini. Kebanyakan mereka bekerja di uranium dioksida atau campuran plutonium dioksida. Di Amerika Syarikat, bagaimanapun, kejayaan terbesar dicapai dengan bahan api logam.

CANDU

Kanada telah memberi tumpuan usahanya kepada reaktor, yang menggunakan uranium semula jadi. Ini menghapuskan keperluan untuk pengayaan untuk menggunakan perkhidmatan negara-negara lain. Hasil daripada dasar ini adalah reaktor deuterium-uranium (CANDU). Mengawal dan penyejukan ia menghasilkan air berat. Reka bentuk dan operasi reaktor nuklear adalah dengan menggunakan tangki dengan D sejuk ₂ O pada tekanan atmosfera. kawasan aktif meresap tiub aloi bahan api zirkonium uranium semula jadi, di mana beredar penyejukan air beratnya. Elektrik dihasilkan dengan membahagikan pemindahan haba di dalam penyejuk air berat, di mana ia diedarkan melalui penjana stim. Stim dalam gelung sekunder kemudian melalui satu kitaran turbin konvensional.

kemudahan penyelidikan

Untuk penyelidikan reaktor nuklear adalah yang paling sering digunakan, prinsip yang terdiri dalam penggunaan plat penyejukan air dan bahan api uranium elemen dalam bentuk perhimpunan. Mampu beroperasi dalam pelbagai tahap kuasa dari beberapa ratus kilowatt untuk megawatt. Sejak penjanaan kuasa bukan matlamat utama untuk reaktor penyelidikan, mereka mempunyai ciri-ciri tenaga haba dihasilkan, dan ketumpatan neutron tenaga nominal teras. Ia adalah parameter ini akan membantu untuk mengukur keupayaan reaktor penyelidikan untuk menjalankan kajian tertentu. sistem kuasa rendah cenderung untuk beroperasi di universiti-universiti dan digunakan untuk latihan, dan kuasa yang tinggi diperlukan dalam makmal penyelidikan untuk bahan-bahan dan ciri-ciri ujian, dan juga untuk penyelidikan umum.

Yang paling biasa penyelidikan reaktor nuklear, struktur dan prinsip operasi adalah seperti berikut. kawasan aktif terletak di bahagian bawah kolam yang mendalam besar air. Ini memudahkan pemerhatian dan saluran peruntukan yang mana rasuk neutron boleh diajukan. Pada tahap kuasa yang rendah tidak ada keperluan untuk mengepam bahan pendingin, kerana untuk mengekalkan keadaan operasi yang selamat bagi perolakan semulajadi penyejuk memastikan pelesapan haba yang mencukupi. Penukar haba biasanya terletak di permukaan atau di bahagian atas kolam di mana air panas terkumpul.

pemasangan kapal

penggunaan asal dan utama bagi reaktor nuklear adalah penggunaannya dalam kapal selam. Kelebihan utama mereka adalah bahawa, berbeza dengan sistem pembakaran bahan api fosil untuk menjana elektrik mereka tidak memerlukan udara. Oleh itu, kapal selam nuklear boleh terus tenggelam untuk masa yang lama, dan kapal selam diesel-elektrik konvensional mesti secara berkala naik ke permukaan, untuk menjalankan motor udara mereka. Tenaga nuklear memberikan kelebihan kapal tentera laut strategik. Terima kasih kepada beliau, tidak ada keperluan untuk mengisi minyak di pelabuhan asing atau dari kapal tangki mudah terdedah.

Prinsip operasi reaktor nuklear pada kapal selam dikelaskan. Walau bagaimanapun, adalah diketahui bahawa di Amerika Syarikat ia menggunakan uranium yang diperkaya, dan nyahpecutan dan penyejukan air ringan. Reka bentuk reaktor pertama kapal selam nuklear USS Nautilus adalah dipengaruhi oleh pemasangan penyelidikan kuat. ciri unik adalah margin kereaktifan yang sangat tinggi, memberikan suatu tempoh operasi tanpa mengisi minyak dan keupayaan untuk memulakan semula selepas berhenti. stesen kuasa dalam kapal selam mesti sangat tenang, untuk mengelak daripada dikesan. Untuk memenuhi keperluan khusus daripada kelas yang berlainan kapal selam model yang berbeza daripada loji kuasa telah ditubuhkan.

Tentera Laut Amerika Syarikat pada pembawa pesawat yang digunakan reaktor nuklear, prinsip yang dipercayai dipinjam dari kapal selam terbesar. Butir-butir pembinaan mereka dan belum diterbitkan.

Selain Amerika Syarikat, kapal selam nuklear berada di UK, Perancis, Rusia, China dan India. Dalam setiap kes, reka bentuk itu tidak didedahkan, tetapi ia dipercayai bahawa mereka semua hampir sama - ini adalah akibat daripada keperluan yang sama untuk ciri-ciri teknikal mereka. Rusia juga mempunyai armada kecil daripada permulaan perbualan nuklear, yang ditubuhkan reaktor yang sama seperti dalam kapal selam Soviet.

pemasangan perindustrian

Untuk tujuan pengeluaran gred senjata plutonium-239 menggunakan reaktor nuklear, prinsip yang terdiri dalam produktiviti yang tinggi dengan tahap tenaga yang rendah. Ini adalah disebabkan oleh hakikat penginapan jangka panjang plutonium dalam teras membawa kepada pengumpulan yang tidak diingini ²⁴⁰ Pu.

pengeluaran tritium

Pada masa ini, bahan utama diperolehi oleh sistem tersebut adalah tritium ⁽³ H atau T) - caj bagi bom hidrogen. Plutonium-239 mempunyai separuh hayat yang panjang 24.100 tahun, jadi sebuah negara yang mempunyai senjata nuklear yang menggunakan unsur ini, sebagai peraturan, mempunyai lebih daripada yang diperlukan. Berbeza dengan ²³⁹ Pu, separuh hayat tritium adalah kira-kira 12 tahun. Oleh itu, untuk mengekalkan inventori yang diperlukan, isotop ini radioaktif hidrogen mesti dilakukan secara berterusan. Di Amerika Syarikat, Sungai Savannah (South Carolina), sebagai contoh, mempunyai beberapa reaktor air berat, yang menghasilkan tritium.

kuasa terapung

Dicipta oleh reaktor nuklear, mampu menyediakan pemanas elektrik dan wap dipadam kawasan terpencil. Di Rusia, sebagai contoh, kami mendapati penggunaan sistem kuasa kecil, yang direka khas untuk memenuhi penempatan Artik. Di China, bekalan kilang 10-megawatt HTR-10 haba dan institut penyelidikan tenaga elektrik, di mana ia terletak. Pembangunan reaktor kecil dikawal secara automatik dengan keupayaan yang sama dijalankan di Sweden dan Kanada. Di antara tahun 1960 dan 1972, Tentera AS menggunakan reaktor air padat untuk menyediakan pangkalan terpencil di Greenland dan Antartika. Mereka telah digantikan dengan loji kuasa bahan api minyak.

penerokaan angkasa

Di samping itu, reaktor direka untuk kuasa dan pergerakan dalam ruang. Dalam tempoh 1967-1988, Kesatuan Soviet ditubuhkan suatu pepasangan nuklear kecil di "Kosmos" satelit untuk membekalkan peralatan dan telemetri, tetapi dasar ini telah menjadi sasaran kritikan. Sekurang-kurangnya satu satelit ini memasuki atmosfera Bumi, menyebabkan pencemaran radioaktif kawasan pedalaman Kanada. Amerika Syarikat dilancarkan hanya satu satelit dengan reaktor nuklear pada tahun 1965. Walau bagaimanapun, projek-projek penggunaannya dalam misi ruang dalam, penyelidikan dikendalikan planet-planet lain atau di sebuah pangkalan lunar kekal terus dibangunkan. Ini pasti menjadi reaktor gas sejuk atau cecair logam nuklear, prinsip-prinsip fizikal yang memberikan suhu tertinggi yang mungkin perlu untuk mengurangkan saiz radiator. Juga, ruang reaktor untuk jentera untuk menjadi padat yang mungkin untuk mengurangkan jumlah bahan yang digunakan untuk melindungi, dan untuk mengurangkan berat badan semasa pelancaran dan ruang penerbangan. kapasiti bahan api akan memastikan operasi reaktor untuk tempoh penerbangan ruang.