Peranti dan prinsip operasi reaktor nuklear adalah berdasarkan pemulaan dan kawalan tindak balas nuklear mampan sendiri. Ia digunakan sebagai alat penyelidikan, untuk pengeluaran isotop radioaktif, dan sebagai sumber kuasa untuk loji kuasa nuklear.
Reaktor nuklear: cara ia berfungsi (secara ringkas)
Di sini, proses pembelahan nuklear digunakan, di mana nukleus berat terpecah kepada dua serpihan yang lebih kecil. Serpihan ini berada dalam keadaan sangat teruja dan mengeluarkan neutron, zarah subatom dan foton lain. Neutron boleh menyebabkan pembelahan baru, akibatnya lebih banyak neutron dipancarkan, dan seterusnya. Siri perpecahan berterusan yang berterusan sedemikian dipanggil tindak balas berantai. Pada masa yang sama, sejumlah besar tenaga dibebaskan, yang pengeluarannya adalah tujuan menggunakan loji tenaga nuklear.
Prinsip operasi reaktor nuklear dan loji kuasa nuklear adalah sedemikian rupa sehingga kira-kira 85% tenaga pembelahan dibebaskan dalam tempoh yang sangat singkat selepas permulaan tindak balas. Selebihnya dihasilkan dalamhasil daripada pereputan radioaktif hasil pembelahan selepas ia mengeluarkan neutron. Pereputan radioaktif ialah proses di mana atom mencapai keadaan yang lebih stabil. Ia berterusan walaupun selepas pembahagian selesai.
Dalam bom atom, tindak balas berantai meningkat dalam keamatan sehingga kebanyakan bahan terbelah. Ini berlaku dengan cepat, menghasilkan ciri letupan yang sangat kuat bagi bom tersebut. Peranti dan prinsip operasi reaktor nuklear adalah berdasarkan mengekalkan tindak balas berantai pada tahap terkawal, hampir malar. Ia direka sedemikian rupa sehingga ia tidak boleh meletup seperti bom atom.
Reaksi rantaian dan kritikal
Fizik reaktor pembelahan nuklear ialah tindak balas berantai ditentukan oleh kebarangkalian pembelahan nuklear selepas pelepasan neutron. Jika populasi yang terakhir berkurangan, maka kadar pembelahan akhirnya akan menurun kepada sifar. Dalam kes ini, reaktor akan berada dalam keadaan subkritikal. Jika populasi neutron dikekalkan pada tahap malar, maka kadar pembelahan akan kekal stabil. Reaktor akan berada dalam keadaan kritikal. Dan akhirnya, jika populasi neutron bertambah dari semasa ke semasa, kadar pembelahan dan kuasa akan meningkat. Inti akan menjadi superkritikal.
Prinsip operasi reaktor nuklear adalah seperti berikut. Sebelum pelancarannya, populasi neutron hampir kepada sifar. Pengendali kemudian mengeluarkan rod kawalan dari teras, meningkatkan pembelahan nuklear, yang diterjemahkan buat sementara waktureaktor kepada keadaan superkritikal. Selepas mencapai kuasa nominal, pengendali memulangkan sebahagian rod kawalan, melaraskan bilangan neutron. Pada masa hadapan, reaktor dikekalkan dalam keadaan kritikal. Apabila ia perlu dihentikan, pengendali memasukkan rod sepenuhnya. Ini menyekat pembelahan dan membawa inti kepada keadaan subkritikal.
Jenis reaktor
Kebanyakan pemasangan nuklear dunia adalah penjanaan tenaga, menjana haba yang diperlukan untuk menghidupkan turbin yang memacu penjana kuasa elektrik. Terdapat juga banyak reaktor penyelidikan, dan sesetengah negara mempunyai kapal selam atau kapal permukaan berkuasa nuklear.
Loji kuasa
Terdapat beberapa jenis reaktor jenis ini, tetapi reka bentuk air ringan telah digunakan secara meluas. Sebaliknya, ia boleh menggunakan air bertekanan atau air mendidih. Dalam kes pertama, cecair di bawah tekanan tinggi dipanaskan oleh haba teras dan memasuki penjana stim. Di sana, haba dari litar primer dipindahkan ke sekunder, yang juga mengandungi air. Stim yang dijana akhirnya berfungsi sebagai bendalir kerja dalam kitaran turbin stim.
Reaktor jenis mendidih beroperasi pada prinsip kitaran tenaga langsung. Air, melalui zon aktif, dibawa ke mendidih pada tahap tekanan purata. Stim tepu melalui satu siri pemisah dan pengering yang terletak di dalam bekas reaktor, yang membawanya kekeadaan panas lampau. Wap air yang dipanaskan lampau kemudiannya digunakan sebagai bendalir kerja untuk menghidupkan turbin.
Gas Suhu Tinggi Disejukkan
Reaktor Disejukkan Gas Suhu Tinggi (HTGR) ialah reaktor nuklear yang prinsip operasinya berdasarkan penggunaan campuran grafit dan mikrosfera bahan api sebagai bahan api. Terdapat dua reka bentuk yang bersaing:
- Sistem "pengisi" Jerman yang menggunakan sel bahan api sfera berdiameter 60 mm, yang merupakan campuran grafit dan bahan api dalam cengkerang grafit;
- Versi Amerika dalam bentuk prisma heksagon grafit yang saling bercantum untuk membentuk zon aktif.
Dalam kedua-dua kes, penyejuk terdiri daripada helium pada tekanan kira-kira 100 atmosfera. Dalam sistem Jerman, helium melalui celah dalam lapisan unsur bahan api sfera, dan dalam sistem Amerika, melalui lubang dalam prisma grafit yang terletak di sepanjang paksi zon tengah reaktor. Kedua-dua pilihan boleh beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, kerana grafit mempunyai suhu pemejalwapan yang sangat tinggi, manakala helium adalah lengai secara kimia sepenuhnya. Helium panas boleh digunakan secara langsung sebagai cecair kerja dalam turbin gas pada suhu tinggi, atau habanya boleh digunakan untuk menjana wap kitaran air.
Reaktor nuklear logam cecair: skema dan prinsip operasi
Reaktor neutron pantas dengan penyejuk natrium mendapat perhatian yang banyak pada tahun 1960-an dan 1970-an. Kemudiannampaknya keupayaan mereka untuk mengeluarkan semula bahan api nuklear dalam masa terdekat adalah perlu untuk pengeluaran bahan api untuk industri nuklear yang pesat membangun. Apabila menjadi jelas pada tahun 1980-an bahawa jangkaan ini tidak realistik, semangat itu pudar. Walau bagaimanapun, beberapa reaktor jenis ini telah dibina di Amerika Syarikat, Rusia, Perancis, Great Britain, Jepun dan Jerman. Kebanyakannya menggunakan uranium dioksida atau campurannya dengan plutonium dioksida. Walau bagaimanapun, di Amerika Syarikat, kejayaan terbesar ialah dengan bahan api logam.
CANDU
Kanada telah menumpukan usahanya pada reaktor yang menggunakan uranium semula jadi. Ini menghapuskan keperluan untuk pengayaan untuk menggunakan perkhidmatan negara lain. Hasil daripada dasar ini ialah reaktor deuterium-uranium (CANDU). Kawalan dan penyejukan di dalamnya dijalankan oleh air berat. Peranti dan prinsip operasi reaktor nuklear adalah menggunakan tangki dengan D2O sejuk pada tekanan atmosfera. Teras ditembusi oleh paip yang diperbuat daripada aloi zirkonium dengan bahan api uranium semula jadi, di mana air berat menyejukkannya. Elektrik dihasilkan dengan memindahkan haba pembelahan dalam air berat kepada penyejuk yang diedarkan melalui penjana stim. Stim dalam litar sekunder kemudiannya melalui kitaran turbin biasa.
Pemasangan penyelidikan
Untuk penyelidikan saintifik, reaktor nuklear paling kerap digunakan, prinsipnya adalah menggunakan penyejukan air danunsur bahan api uranium lamellar dalam bentuk pemasangan. Mampu beroperasi pada pelbagai tahap kuasa, daripada beberapa kilowatt hingga ratusan megawatt. Oleh kerana penjanaan kuasa bukanlah tugas utama reaktor penyelidikan, ia dicirikan oleh tenaga haba yang dijana, ketumpatan dan tenaga nominal neutron dalam teras. Parameter inilah yang membantu untuk mengukur keupayaan reaktor penyelidikan untuk menjalankan tinjauan khusus. Sistem kuasa rendah biasanya digunakan di universiti untuk tujuan pengajaran, manakala sistem kuasa tinggi diperlukan dalam makmal R&D untuk ujian bahan dan prestasi serta penyelidikan am.
Reaktor nuklear penyelidikan yang paling biasa, struktur dan prinsip operasinya adalah seperti berikut. Zon aktifnya terletak di dasar kolam air dalam yang besar. Ini memudahkan pemerhatian dan penempatan saluran yang melaluinya rasuk neutron boleh diarahkan. Pada tahap kuasa yang rendah, tidak perlu mengeluarkan cecair penyejuk, kerana perolakan semulajadi penyejuk memberikan pelesapan haba yang mencukupi untuk mengekalkan keadaan operasi yang selamat. Penukar haba biasanya terletak di permukaan atau di bahagian atas kolam tempat air panas terkumpul.
Pemasangan penghantaran
Kegunaan asal dan utama reaktor nuklear adalah dalam kapal selam. Kelebihan utama mereka ialahbahawa, tidak seperti sistem pembakaran bahan api fosil, mereka tidak memerlukan udara untuk menjana elektrik. Oleh itu, kapal selam nuklear boleh kekal tenggelam untuk jangka masa yang lama, manakala kapal selam diesel-elektrik konvensional mesti naik ke permukaan secara berkala untuk menghidupkan enjinnya di udara. Tenaga nuklear memberikan kelebihan strategik kepada kapal-kapal Tentera Laut. Ia menghapuskan keperluan untuk mengisi minyak di pelabuhan asing atau dari kapal tangki yang terdedah.
Prinsip operasi reaktor nuklear pada kapal selam dikelaskan. Walau bagaimanapun, diketahui bahawa di Amerika Syarikat ia menggunakan uranium yang sangat diperkaya, dan perlahan dan penyejukan dilakukan oleh air ringan. Reka bentuk reaktor pertama kapal selam nuklear USS Nautilus sangat dipengaruhi oleh kemudahan penyelidikan yang berkuasa. Ciri uniknya ialah margin kereaktifan yang sangat besar, yang memastikan tempoh operasi yang panjang tanpa mengisi minyak dan keupayaan untuk dimulakan semula selepas berhenti. Stesen janakuasa dalam kapal selam mesti sangat sunyi untuk mengelakkan pengesanan. Untuk memenuhi keperluan khusus kelas kapal selam yang berbeza, model loji kuasa yang berbeza telah dicipta.
Kapal pengangkut pesawat Tentera Laut AS menggunakan reaktor nuklear, yang prinsipnya dipercayai dipinjam daripada kapal selam terbesar. Butiran reka bentuk mereka juga belum dikeluarkan.
Selain AS, UK, Perancis, Rusia, China dan India mempunyai kapal selam nuklear. Dalam setiap kes, reka bentuk tidak didedahkan, tetapi dipercayai bahawa mereka semua sangat serupa - iniadalah akibat daripada keperluan yang sama untuk ciri teknikal mereka. Rusia juga mempunyai kumpulan kecil kapal pemecah ais berkuasa nuklear yang mempunyai reaktor yang sama seperti kapal selam Soviet.
Pemasangan industri
Untuk pengeluaran plutonium-239 gred senjata, reaktor nuklear digunakan, yang prinsipnya adalah produktiviti tinggi dengan tahap pengeluaran tenaga yang rendah. Ini disebabkan oleh fakta bahawa plutonium tinggal lama dalam teras membawa kepada pengumpulan 240Pu.
yang tidak diingini.
Pengeluaran Tritium
Pada masa ini, bahan utama yang dihasilkan oleh sistem sedemikian ialah tritium (3H atau T), cas untuk bom hidrogen. Plutonium-239 mempunyai separuh hayat yang panjang iaitu 24,100 tahun, jadi negara yang mempunyai senjata nuklear yang menggunakan unsur ini cenderung mempunyai lebih banyak daripada yang mereka perlukan. Tidak seperti 239Pu, tritium mempunyai separuh hayat lebih kurang 12 tahun. Oleh itu, untuk mengekalkan bekalan yang diperlukan, isotop radioaktif hidrogen ini mesti dihasilkan secara berterusan. Di AS, Sungai Savannah, Carolina Selatan, misalnya, mempunyai beberapa reaktor air berat yang menghasilkan tritium.
Unit kuasa terapung
Reaktor nuklear telah dicipta yang boleh membekalkan elektrik dan pemanasan wap ke kawasan terpencil yang terpencil. Di Rusia, sebagai contoh, telah menemui permohonanloji janakuasa kecil yang direka khusus untuk memberi perkhidmatan kepada komuniti Artik. Di China, loji HTR-10 10 MW membekalkan haba dan kuasa kepada institut penyelidikan di mana ia berada. Reaktor terkawal kecil dengan keupayaan yang sama sedang dibangunkan di Sweden dan Kanada. Antara 1960 dan 1972, Tentera AS menggunakan reaktor air padat untuk menggerakkan pangkalan terpencil di Greenland dan Antartika. Ia telah digantikan oleh loji jana kuasa minyak.
Penerokaan angkasa lepas
Selain itu, reaktor telah dibangunkan untuk bekalan kuasa dan pergerakan di angkasa lepas. Antara 1967 dan 1988, Kesatuan Soviet memasang pemasangan nuklear kecil pada satelit Kosmos untuk membekalkan peralatan dan telemetri, tetapi dasar ini menjadi sasaran kritikan. Sekurang-kurangnya satu daripada satelit ini memasuki atmosfera Bumi, mengakibatkan pencemaran radioaktif di kawasan terpencil di Kanada. Amerika Syarikat melancarkan hanya satu satelit berkuasa nuklear pada tahun 1965. Walau bagaimanapun, projek untuk kegunaannya dalam penerbangan angkasa lepas, penerokaan manusia planet lain, atau di pangkalan bulan kekal terus dibangunkan. Ia semestinya akan menjadi reaktor nuklear yang disejukkan gas atau cecair-logam, yang prinsip fizikalnya akan memberikan suhu tertinggi yang diperlukan untuk meminimumkan saiz radiator. Di samping itu, reaktor angkasa hendaklah padat yang mungkin untuk meminimumkan jumlah bahan yang digunakanmelindungi, dan untuk mengurangkan berat semasa pelancaran dan penerbangan angkasa lepas. Rizab bahan api akan memastikan operasi reaktor sepanjang tempoh penerbangan angkasa lepas.
