Ядзерны рэактар: прынцып працы, прылада і схема

Прылада і прынцып дзеяння ядзернага рэактара заснаваныя на ініцыялізацыі і кантролі самападтрымоўваемаму ядзернай рэакцыі. Яго выкарыстоўваюць у якасці даследчага інструмента, для вытворчасці радыеактыўных ізатопаў і ў якасці крыніцы энергіі для атамных электрастанцый.

Ядзерны рэактар: прынцып працы (коратка)

Тут выкарыстоўваецца працэс дзялення ядраў, пры якім цяжкае ядро распадаецца на два больш дробных фрагмента. Гэтыя аскепкі знаходзяцца ў вельмі ўзбуджаным стане і выпускаюць нейтроны, іншыя субатомные часціцы і фатоны. Нейтроны могуць выклікаць новыя дзялення, у выніку якіх іх выпраменьваецца яшчэ больш, і гэтак далей. Такі бесперапынны самападтрымоўваемаму шэраг расшчапленне называецца ланцуговай рэакцыяй. Пры гэтым выдзяляецца вялікая колькасць энергіі, вытворчасць якой з'яўляецца мэтай выкарыстання АЭС.

Прынцып працы ядзернага рэактара і атамнай электрастанцыі такі, што коло 85% энергіі расшчаплення вызваляецца на працягу вельмі кароткага прамежку часу пасля пачатку рэакцыі. Астатняя частка выпрацоўваецца ў выніку радыеактыўнага распаду прадуктаў дзялення, пасля таго як яны выпраменьваючы нейтроны. Радыеактыўны распад з'яўляецца працэсам, пры якім атам дасягае больш стабільнага стану. Ён працягваецца і пасля завяршэння дзялення.

У атамнай бомбе ланцуговая рэакцыя павялічвае сваю інтэнсіўнасць, пакуль не будзе расшчэпленая вялікая частка матэрыялу. Гэта адбываецца вельмі хутка, вырабляючы надзвычай магутныя выбухі, характэрныя для такіх бомбаў. Прылада і прынцып дзеяння ядзернага рэактара заснаваныя на падтрыманні ланцуговай рэакцыі на рэгуляваным, амаль сталым узроўні. Ён сканструяваны такім чынам, што падарвацца, як атамная бомба, не можа.

Ланцуговая рэакцыя і крытычнасць

Фізіка ядзернага рэактара дзялення складаецца ў тым, што ланцуговая рэакцыя вызначаецца верагоднасцю расшчаплення ядра пасля выпускання нейтронаў. Калі папуляцыя апошніх памяншаецца, то хуткасць дзялення ў рэшце рэшт зваліцца да нуля. У гэтым выпадку рэактар будзе знаходзіцца ў докритическом стане. Калі ж папуляцыя нейтронаў падтрымліваецца на пастаянным узроўні, то хуткасць дзялення будзе заставацца стабільнай. Рэактар будзе знаходзіцца ў крытычным стане. І, нарэшце, калі папуляцыя нейтронаў з часам расце, хуткасць дзялення і магутнасць будзе павялічвацца. Стан актыўнай зоны стане сверхкритическим.

Прынцып дзеяння ядзернага рэактара наступны. Перад яго запускам папуляцыя нейтронаў блізкая да нуля. Затым аператары выдаляюць кіруючыя стрыжні з актыўнай зоны, павялічваючы дзяленне ядраў, што часова перакладае рэактар у сверхкритическое стан. Пасля выхаду на намінальны магутнасць аператары часткова вяртаюць кіруючыя стрыжні, рэгулюючы колькасць нейтронаў. У далейшым рэактар падтрымліваецца ў крытычным стане. Калі яго неабходна спыніць, аператары ўстаўляюць стрыжні цалкам. Гэта душыць дзяленне і перакладае актыўную зону ў докритическое стан.

тыпы рэактараў

Большасць існуючых у свеце ядзерных установак з'яўляюцца энергетычнымі, генерыруючых цёпла, неабходнае для кручэння турбін, якія прыводзяць у рух генератары электрычнай энергіі. Таксама ёсць шмат даследчых рэактараў, а некаторыя краіны маюць падводныя лодкі або надводныя караблі, рухомыя энергіяй атама.

энергетычныя ўстаноўкі

Існуе некалькі відаў рэактараў гэтага тыпу, але шырокае ўжыванне знайшла канструкцыя на лёгкай вадзе. У сваю чаргу, у ёй можа выкарыстоўвацца вада пад ціскам ці кіпячая вада. У першым выпадку вадкасць пад высокім ціскам награваецца цяплом актыўнай зоны і паступае ў парагенератар. Там цёпла ад першаснага контуру перадаецца на другасны, таксама які змяшчае ваду. Генераваны ў канчатковым рахунку пар служыць працоўнай вадкасцю ў цыкле паравой турбіны.

Рэактар кіпячага тыпу працуе па прынцыпе прамога энергетычнага цыкла. Вада, праходзячы праз актыўную зону, даводзіцца да кіпення на сярэднім узроўні ціску. Насычаны пар праходзіць праз серыю сепаратараў і сушылак, размешчаных у корпусе рэактара, што прыводзіць яго ў сверхперегретое стан. Перагрэты вадзяной пар затым выкарыстоўваецца ў якасці працоўнай вадкасці, які круціць турбіну.

Высокатэмпературныя з газавым астуджэннем

Высокатэмпературны газоохлаждаемый рэактар (ВТГР) - гэта ядзерны рэактар, прынцып працы якога заснаваны на ўжыванні ў якасці паліва сумесі графіту і паліўных мікрасферы. Існуюць дзве канкуруючыя канструкцыі:

• нямецкая «засыпных» сістэма, якая выкарыстоўвае сферычныя паліўныя элементы дыяметрам 60 мм, якія ўяўляюць сабой сумесь графіту і паліва ў графітавай абалонцы;
• амерыканскі варыянт у выглядзе графітавых гексаганальных прызмаў, якія счапляюцца, ствараючы актыўную зону.

У абодвух выпадках астуджальная вадкасць складаецца з гелія пад ціскам каля 100 атмасфер. У нямецкай сістэме гелій праходзіць праз прамежкі ў пласце сферычных паліўных элементаў, а ў амерыканскай - праз адтуліны ў графітавых прызмах, размешчаных уздоўж восі цэнтральнай зоны рэактара. Абодва варыянты могуць працаваць пры вельмі высокіх тэмпературах, так як графіт мае надзвычай высокую тэмпературу сублімацыі, а гелій цалкам інэртны хімічна. Гарачы гелій можа быць ужыты непасрэдна ў якасці працоўнай вадкасці ў газавай турбіне пры высокай тэмпературы або яго цяпло можна выкарыстоўваць для генерацыі пара вадзянога цыклу.

Жидкометаллический ядзерны рэактар: схема і прынцып працы

Рэактарах на хуткіх нейтронах з натрыевым цепланосбітам надавалася вялікая ўвага ў 1960-1970-х гадах. Тады здавалася, што іх магчымасці па ўзнаўленні ядзернага паліва ў бліжэйшы час неабходныя для вытворчасці паліва для хутка развіваецца атамнай прамысловасці. Калі ў 1980-я гады стала ясна, што гэта чаканне нерэалістычна, энтузіязм згас. Аднак у ЗША, Расіі, Францыі, Вялікабрытаніі, Японіі і Германіі пабудаваны шэраг рэактараў гэтага тыпу. Большасць з іх працуе на дыяксід ўрану або яго сумесі з дыяксідам плутонію. У Злучаных Штатах, аднак, найбольшы поспех быў дасягнуты з металічнымі палівам.

CANDU

Канада засяродзіла свае намаганні на рэактарах, у якіх выкарыстоўваецца прыродны ўран. Гэта пазбаўляе ад неабходнасці для яго ўзбагачэння звяртацца да паслуг іншых краін. Вынікам такой палітыкі стаў дэйтэрый-уранавы рэактар (CANDU). Кантроль і астуджэнне ў ім вырабляецца цяжкай вадой. Прылада і прынцып працы ядзернага рэактара складаецца ў выкарыстанні рэзервуара з халоднай D ₂ O пры атмасферным ціску. Актыўная зона працятая трубамі з цырконіевых сплаву з палівам з прыроднага ўрану, праз якія цыркулюе астуджальная яго цяжкая вада. Электраэнергія праводзiцца за кошт перадачы цеплыні дзялення ў цяжкай вадзе астуджальнай вадкасці, якая цыркулюе праз парагенератар. Пар у другасным контуры затым праходзіць праз звычайны турбінны цыкл.

даследчыя ўстаноўкі

Для правядзення навуковых даследаванняў часцей за ўсё выкарыстоўваецца ядзерны рэактар, прынцып працы якога складаецца ва ўжыванні вадзянога астуджэння і пласціністых уранавых паліўных элементаў у выглядзе зборак. Здольны функцыянаваць у шырокім дыяпазоне узроўняў магутнасці, ад некалькіх кілават да сотняў мегават. Паколькі вытворчасць электраэнергіі не з'яўляецца асноўнай задачай даследчых рэактараў, яны характарызуюцца што выпрацоўваецца цеплавой энергіяй, шчыльнасцю і намінальным энергіяй нейтронаў актыўнай зоны. Менавіта гэтыя параметры дапамагаюць колькасна ацаніць здольнасць даследчага рэактара праводзіць канкрэтныя пошукі. Маламагутныя сістэмы, як правіла, функцыянуюць ва універсітэтах і выкарыстоўваюцца для навучання, а высокая магутнасць неабходная ў навукова-даследчых лабараторыях для тэставання матэрыялаў і характарыстык, а таксама для агульных даследаванняў.

Найбольш распаўсюджаны даследчы ядзерны рэактар, будова і прынцып працы якога наступныя. Яго актыўная зона размешчана ў ніжняй частцы вялікага глыбокага басейна з вадой. Гэта спрашчае назіранне і размяшчэнне каналаў, па якіх могуць быць накіраваны пучкі нейтронаў. Пры нізкіх узроўнях магутнасці няма неабходнасці прапампоўваць астуджальную вадкасць, так як для падтрымання бяспечнага працоўнага стану натуральная канвекцыя цепланосбіта забяспечвае дастатковы адвод цяпла. Цеплаабменнік, як правіла, знаходзіцца на паверхні або ў верхняй частцы басейна, дзе запасіцца гарачая вада.

карабельныя ўстаноўкі

Першапачатковым і асноўным ужываннем ядзерных рэактараў з'яўляецца іх выкарыстанне ў падводных лодках. Галоўным іх перавагай з'яўляецца тое, што, у адрозненне ад сістэм спальвання выкапнёвага паліва, для выпрацоўкі электраэнергіі ім не патрабуецца паветра. Такім чынам, атамная субмарына можа заставацца ў пагружаным стане на працягу доўгага часу, а звычайная дызель-электрычная падлодка павінна перыядычна падымацца на паверхню, каб запускаць свае рухавікі ў паветры. Ядзерная энергетыка дае стратэгічнае перавага караблям ВМС. Дзякуючы ёй адпадае неабходнасць запраўляцца ў замежных партах або ад лёгка уразлівых танкераў.

Прынцып працы ядзернага рэактара на падводнай лодцы засакрэчаны. Аднак вядома, што ў ЗША ў ім выкарыстоўваецца высокаўзбагачаны ўран, а запаволенне і астуджэнне вырабляецца лёгкай вадой. Канструкцыя першага рэактара атамнай субмарыны USS Nautilus знаходзілася пад моцным уплывам магутных даследчых установак. Яго унікальнымі асаблівасцямі з'яўляецца вельмі вялікі запас рэактыўнасці, якая забяспечвае працяглы перыяд працы без дазапраўкі і магчымасць перазапуску пасля прыпынку. Электрастанцыя ў падлодках павінна быць вельмі ціхай, каб пазбегнуць выяўлення. Для задавальнення канкрэтных патрэбаў розных класаў субмарын былі створаныя розныя мадэлі сілавых установак.

На авіяносцах ВМС ЗША выкарыстоўваецца ядзерны рэактар, прынцып працы якога, як мяркуюць, запазычаны ў найбуйнейшых падлодак. Падрабязныя звесткі іх канструкцыі таксама ня былі апублікаваныя.

Акрамя ЗША, атамныя падводныя лодкі маюцца ў Вялікабрытаніі, Францыі, Расіі, Кітая і Індыі. У кожным выпадку канструкцыя не выдавалася, але лічыцца, што ўсе яны вельмі падобныя - гэта з'яўляецца следствам аднолькавых патрабаванняў да іх тэхнічных характарыстыках. Расія таксама валодае невялікім флотам атамных ледаколаў, на якіх ўстанаўліваліся такія ж рэактары, як і на савецкіх субмарынах.

прамысловыя ўстаноўкі

Для мэтаў вытворчасці зброевага плутонію-239 выкарыстоўваецца ядзерны рэактар, прынцып працы якога складаецца ў высокай прадукцыйнасці пры нізкім узроўні вытворчасці энергіі. Гэта абумоўлена тым, што доўгі знаходжанне плутонію ў актыўнай зоне прыводзіць да назапашвання непажаданага ²⁴⁰ Pu.

вытворчасць трыція

У цяперашні час асноўным матэрыялам, якія атрымліваюцца з дапамогай такіх сістэм, з'яўляецца трыцій ⁽³ H або T) - зарад для вадародных бомбаў. Плутоній-239 мае працяглы перыяд паўраспаду, роўны 24100 гадам, таму краіны з арсеналам ядзернай зброі, якія выкарыстоўваюць гэты элемент, як правіла, маюць яго больш, чым неабходна. У адрозненне ад ²³⁹ Pu, перыяд паўраспаду трыція складае прыкладна 12 гадоў. Такім чынам, каб падтрымліваць неабходныя запасы, гэты радыеактыўны ізатоп вадароду павінен вырабляцца бесперапынна. У ЗША ў Саванна-Рывер (штат Паўднёвая Караліна), напрыклад, працуе некалькі рэактараў на цяжкай вадзе, якія вырабляюць трыцій.

плывучыя энергаблокі

Створаны ядзерныя рэактары, здольныя забяспечыць электраэнергіяй і паравым ацяпленнем аддаленыя ізаляваныя раёны. У Расіі, напрыклад, знайшлі прымяненне невялікія энергетычныя ўстаноўкі, спецыяльна прызначаныя для абслугоўвання арктычных населеных пунктаў. У Кітаі 10-МВт ўстаноўка HTR-10 забяспечвае цяплом і электраэнергіяй даследчы інстытут, у якім яна знаходзіцца. Распрацоўкі невялікіх аўтаматычна кіраваных рэактараў з аналагічнымі магчымасцямі вядуцца ў Швецыі і Канадзе. У перыяд з 1960 па 1972 год войска ЗША выкарыстала кампактныя вадзяныя рэактары для забеспячэння аддаленых баз у Грэнландыі і Антарктыцы. Яны былі заменены мазутных электрастанцыямі.

заваяванне космасу

Акрамя таго, былі распрацаваны рэактары для энергазабеспячэння і перамяшчэння ў касмічнай прасторы. У перыяд з 1967 па 1988 год Савецкі Саюз ўсталёўваў невялікія ядзерныя ўстаноўкі на спадарожнікі серыі «Космас» для харчавання абсталявання і тэлеметрыі, але гэтая палітыка стала мішэнню для крытыкі. Па меншай меры адзін з такіх спадарожнікаў увайшоў у атмасферу Зямлі, у выніку чаго радыеактыўнаму забруджванню падвергліся аддаленыя раёны Канады. Злучаныя Штаты запусцілі толькі адзін спадарожнік з ядзернай рэактарам ў 1965 годзе. Аднак праекты па іх ужыванню ў далёкіх касмічных палётах, пілатуемых даследаваннях іншых планет або на пастаяннай месяцовай базе працягваюць распрацоўвацца. Гэта абавязкова будзе газоохлаждаемый або жидкометаллический ядзерны рэактар, фізічныя прынцыпы работы якога забяспечаць максімальна высокую тэмпературу, неабходную для мінімізацыі памеру радыятара. Акрамя таго, рэактар для касмічнай тэхнікі павінен быць максімальна кампактным, каб звесці да мінімуму колькасць матэрыялу, які выкарыстоўваецца для экранавання, і для памяншэння вагі падчас старту і касмічнага палёту. Запас паліва забяспечыць працу рэактара на ўвесь перыяд касмічнага палёту.