Устройството и принципът на действие на ядрен реактор се основават на инициализиране и управление на самоподдържаща се ядрена реакция. Използва се като изследователски инструмент, за производството на радиоактивни изотопи и като източник на енергия за атомни електроцентрали.
Ядреният реактор: как работи (накратко)
Тук се използва процесът на ядрено делене, при който тежко ядро се разпада на два по-малки фрагмента. Тези фрагменти са в силно възбудено състояние и излъчват неутрони, други субатомни частици и фотони. Неутроните могат да причинят нови деления, в резултат на което се отделят повече неутрони и т.н. Такава непрекъсната самоподдържаща се поредица от разцепвания се нарича верижна реакция. В същото време се отделя голямо количество енергия, чието производство е предназначено за използване на атомни електроцентрали.
Принципът на работа на ядрен реактор и ядрена електроцентрала е такъв, че около 85% от енергията на делене се освобождава за много кратък период от време след началото на реакцията. Останалото се произвежда врезултат от радиоактивния разпад на продуктите на делене, след като те са излъчили неутрони. Радиоактивният разпад е процесът, при който атомът достига по-стабилно състояние. Продължава дори и след като разделянето приключи.
В атомна бомба верижната реакция нараства по интензитет, докато по-голямата част от материала се раздели. Това се случва много бързо, произвеждайки изключително мощните експлозии, характерни за такива бомби. Устройството и принципът на действие на ядрен реактор се основават на поддържане на верижна реакция на контролирано, почти постоянно ниво. Проектиран е по такъв начин, че не може да избухне като атомна бомба.
Верижна реакция и критичност
Физиката на ядрен реактор на делене е, че верижната реакция се определя от вероятността за ядрено делене след емисия на неутрони. Ако населението на последното намалее, тогава скоростта на делене в крайна сметка ще спадне до нула. В този случай реакторът ще бъде в подкритично състояние. Ако популацията от неутрони се поддържа на постоянно ниво, тогава скоростта на делене ще остане стабилна. Реакторът ще бъде в критично състояние. И накрая, ако популацията от неутрони нараства с течение на времето, скоростта на делене и мощността ще се увеличат. Ядрото ще стане свръхкритично.
Принципът на работа на ядрения реактор е както следва. Преди изстрелването му неутронната популация е близо до нула. След това операторите премахват контролните пръти от ядрото, увеличавайки ядреното делене, което временно превеждареактор до свръхкритично състояние. След достигане на номиналната мощност, операторите частично връщат контролните пръти, регулирайки броя на неутроните. В бъдеще реакторът се поддържа в критично състояние. Когато трябва да бъде спрян, операторите вкарват прътите напълно. Това потиска деленето и привежда ядрото в подкритично състояние.
Видове реактори
Повечето от ядрените инсталации в света генерират енергия, генерирайки топлината, необходима за завъртане на турбини, които задвижват генератори на електрическа енергия. Има също много изследователски реактори, а някои страни имат подводници с ядрено задвижване или надводни кораби.
Електроцентрали
Има няколко вида реактори от този тип, но дизайнът с лека вода е намерил широко приложение. От своя страна може да използва вода под налягане или вряща вода. В първия случай течността под високо налягане се нагрява от топлината на сърцевината и влиза в парогенератора. Там топлината от първи контур се прехвърля към вторичния, който също съдържа вода. В крайна сметка генерираната пара служи като работен флуид в цикъла на парната турбина.
Реакторът от 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, разположени в корпуса на реактора, което я довежда допрегрято състояние. След това прегрятата водна пара се използва като работен флуид за завъртане на турбина.
Висока температура с газово охлаждане
Високотемпературният газов охлаждащ реактор (HTGR) е ядрен реактор, чийто принцип на работа се основава на използването на смес от графит и горивни микросфери като гориво. Има два конкуриращи се дизайна:
- немска система за пълнене, която използва сферични горивни клетки с диаметър 60 мм, които са смес от графит и гориво в графитна обвивка;
- Американска версия под формата на графитни шестоъгълни призми, които се зацепват, за да образуват активна зона.
И в двата случая охлаждащата течност се състои от хелий при налягане от около 100 атмосфери. В немската система хелият преминава през пролуки в слоя от сферични горивни елементи, а в американската - 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, докато хелият е напълно химически инертен. Горещият хелий може да се прилага директно като работен флуид в газова турбина при висока температура или топлината му може да се използва за генериране на пара от водния цикъл.
Ядреен реактор с течен метал: схема и принцип на действие
Реакторите за бързи неутрони с натриева охлаждаща течност получиха голямо внимание през 60-те и 70-те години на миналия век. Тогаваизглеждаше, че способността им да възпроизвеждат ядрено гориво в близко бъдеще е необходима за производството на гориво за бързо развиващата се ядрена индустрия. Когато през 80-те години на миналия век стана ясно, че това очакване е нереалистично, ентусиазмът изчезна. Въпреки това, редица реактори от този тип са построени в САЩ, Русия, Франция, Великобритания, Япония и Германия. Повечето от тях работят с уранов диоксид или неговата смес с плутониев диоксид. В Съединените щати обаче най-големият успех е с металните горива.
CANDU
Канада е съсредоточила усилията си върху реактори, които използват естествен уран. Това премахва необходимостта от обогатяването му да се прибягва до услугите на други държави. Резултатът от тази политика беше деутерий-урановият реактор (CANDU). Контролът и охлаждането в него се извършват с тежка вода. Устройството и принципът на действие на ядрения реактор е да се използва резервоар със студено D2O при атмосферно налягане. Сърцевината е пробита от тръби от циркониева сплав с гориво от естествен уран, чрез които тежката вода го охлажда. Електричеството се произвежда чрез прехвърляне на топлината от делене в тежка вода към охлаждаща течност, която циркулира през парогенератора. След това парата във вторичния кръг преминава през нормалния турбинен цикъл.
Изследователски инсталации
За научни изследвания най-често се използва ядрен реактор, чийто принцип е да използва водно охлаждане иламелни уранови горивни елементи под формата на възли. Възможност за работа в широк диапазон от нива на мощност, от няколко киловата до стотици мегавата. Тъй като производството на електроенергия не е основна задача на изследователските реактори, те се характеризират с генерираната топлинна енергия, плътност и номинална енергия на неутроните в активната зона. Именно тези параметри помагат да се определи количествено способността на изследователския реактор да провежда специфични проучвания. Системите с ниска мощност обикновено се използват в университетите за учебни цели, докато системите с висока мощност са необходими в лабораториите за научноизследователска и развойна дейност за тестване на материали и производителност и общи изследвания.
Най-често срещаният изследователски ядрен реактор, чиято структура и принцип на действие са както следва. Активната му зона се намира на дъното на голям дълбок воден басейн. Това опростява наблюдението и поставянето на канали, през които могат да се насочват неутронни лъчи. При ниски нива на мощност няма нужда от обезвъздушаване на охлаждащата течност, тъй като естествената конвекция на охлаждащата течност осигурява достатъчно разсейване на топлината за поддържане на безопасно работно състояние. Топлообменникът обикновено се намира на повърхността или в горната част на басейна, където се натрупва гореща вода.
Корабни инсталации
Оригиналната и основна употреба на ядрените реактори е в подводниците. Основното им предимство ече, за разлика от системите за изгаряне на изкопаеми горива, те не изискват въздух за генериране на електричество. Следователно, ядрена подводница може да остане под вода за дълги периоди от време, докато конвенционалната дизел-електрическа подводница трябва периодично да се издига на повърхността, за да стартира двигателите си във въздуха. Ядрената енергия дава стратегическо предимство на корабите на ВМС. Това премахва необходимостта от зареждане с гориво в чужди пристанища или от уязвими танкери.
Принципът на действие на ядрен реактор на подводница е класифициран. Известно е обаче, че в САЩ се използва силно обогатен уран, а забавянето и охлаждането става от лека вода. Дизайнът на първия реактор на атомната подводница USS Nautilus беше силно повлиян от мощни изследователски съоръжения. Уникалните му характеристики са много голям марж на реактивност, който осигурява дълъг период на работа без зареждане с гориво и възможност за рестартиране след спиране. Електроцентралата в подводниците трябва да е много тиха, за да се избегне откриване. За да отговорят на специфичните нужди на различните класове подводници, бяха създадени различни модели електроцентрали.
Авионосачите на ВМС на САЩ използват ядрен реактор, чийто принцип се смята, че е заимстван от най-големите подводници. Подробности за техния дизайн също не са публикувани.
Освен САЩ, Обединеното кралство, Франция, Русия, Китай и Индия имат ядрени подводници. Във всеки случай дизайнът не е разкрит, но се смята, че всички те са много сходни - товае следствие от същите изисквания към техническите им характеристики. Русия също има малък флот от атомни ледоразбивачи, които имат същите реактори като съветските подводници.
Промишлени инсталации
За производството на оръжеен плутоний-239 се използва ядрен реактор, чийто принцип е висока производителност с ниско ниво на производство на енергия. Това се дължи на факта, че дългият престой на плутоний в сърцевината води до натрупване на нежелани 240Pu.
Производство на тритий
В момента основният материал, произвеждан от такива системи, е тритий (3H или T), зарядът за водородни бомби. Плутоний-239 има дълъг период на полуразпад от 24 100 години, така че страните с арсенали от ядрени оръжия, използващи този елемент, обикновено имат повече от него, отколкото им е необходимо. За разлика от 239Pu, тритият има период на полуразпад от приблизително 12 години. По този начин, за да се поддържат необходимите доставки, този радиоактивен изотоп на водорода трябва да се произвежда непрекъснато. В САЩ, река Савана, Южна Каролина, например, има няколко тежководни реактора, които произвеждат тритий.
Плаващи силови агрегати
Създадени са ядрени реактори, които могат да осигурят електричество и парно отопление на отдалечени изолирани райони. В Русия, например, са намерили приложениемалки електроцентрали, специално проектирани да обслужват арктическите общности. В Китай 10 MW централа HTR-10 доставя топлина и енергия на изследователския институт, където се намира. В Швеция и Канада се разработват малки контролирани реактори с подобни възможности. Между 1960 и 1972 г. американската армия използва компактни водни реактори за захранване на отдалечени бази в Гренландия и Антарктида. Те са заменени от електроцентрали, работещи на петрол.
Изследване на космоса
В допълнение са разработени реактори за захранване и движение в космоса. Между 1967 и 1988 г. Съветският съюз инсталира малки ядрени инсталации на сателитите Космос за захранване на оборудване и телеметрия, но тази политика се превръща в мишена за критики. Поне един от тези спътници влезе в земната атмосфера, което доведе до радиоактивно замърсяване на отдалечени райони на Канада. Съединените щати изстреляха само един спътник с ядрена енергия през 1965 г. Въпреки това продължават да се разработват проекти за тяхното използване в полети в дълбоко космоса, изследване с хора на други планети или на постоянна лунна база. Това непременно ще бъде ядрен реактор с газово охлаждане или течно-метален ядрен реактор, чиито физически принципи ще осигурят възможно най-високата температура, необходима за минимизиране на размера на радиатора. В допълнение, космическият реактор трябва да бъде възможно най-компактен, за да се сведе до минимум количеството използван материалекраниране и намаляване на теглото по време на изстрелване и космически полет. Резервът от гориво ще осигури работата на реактора за целия период на космическия полет.
