Enheden og princippet om drift af en atomreaktor er baseret på initialisering og kontrol af en selvbærende atomreaktion. Det bruges som et forskningsværktøj, til produktion af radioaktive isotoper og som en strømkilde til atomkraftværker.
Atomreaktor: hvordan fungerer det (kort)
Her bruges processen med nuklear fission, hvor en tung kerne bryder op i to mindre fragmenter. Disse fragmenter er i en meget exciteret tilstand og udsender neutroner, andre subatomære partikler og fotoner. Neutroner kan forårsage nye sp altninger, hvorved der udsendes flere neutroner og så videre. Sådan en kontinuerlig selvopretholdende række af splittelser kaldes en kædereaktion. Samtidig frigives en stor mængde energi, hvis produktion er formålet med at bruge atomkraftværker.
Princippet for drift af en atomreaktor og et atomkraftværk er sådan, at omkring 85 % af fissionsenergien frigives inden for en meget kort periode efter reaktionens start. Resten produceres iresultatet af det radioaktive henfald af fissionsprodukter, efter at de har udsendt neutroner. Radioaktivt henfald er den proces, hvorved et atom når en mere stabil tilstand. Det fortsætter, selv efter opdelingen er fuldført.
I en atombombe øges kædereaktionen i intensitet, indtil det meste af materialet er splittet. Dette sker meget hurtigt og frembringer de ekstremt kraftige eksplosioner, der er karakteristiske for sådanne bomber. Enheden og princippet om drift af en atomreaktor er baseret på at opretholde en kædereaktion på et kontrolleret, næsten konstant niveau. Den er designet på en sådan måde, at den ikke kan eksplodere som en atombombe.
Kædereaktion og kritik
Fysikken i en nuklear fissionsreaktor er, at kædereaktionen bestemmes af sandsynligheden for nuklear fission efter emission af neutroner. Hvis befolkningen i sidstnævnte falder, vil fissionshastigheden til sidst falde til nul. I dette tilfælde vil reaktoren være i en subkritisk tilstand. Hvis populationen af neutroner holdes på et konstant niveau, vil fissionshastigheden forblive stabil. Reaktoren vil være i kritisk tilstand. Og endelig, hvis populationen af neutroner vokser over tid, vil fissionshastigheden og kraften stige. Kernen bliver superkritisk.
Princippet for drift af en atomreaktor er som følger. Før dens lancering er neutronpopulationen tæt på nul. Operatørerne fjerner derefter kontrolstængerne fra kernen, hvilket øger nuklear fission, som midlertidigt oversættesreaktor til superkritisk tilstand. Efter at have nået den nominelle effekt, returnerer operatørerne delvist kontrolstængerne og justerer antallet af neutroner. I fremtiden holdes reaktoren i en kritisk tilstand. Når den skal stoppes, sætter operatørerne stængerne helt ind. Dette undertrykker fission og bringer kernen til en subkritisk tilstand.
Typer af reaktorer
De fleste af verdens nukleare installationer genererer energi og genererer den varme, der er nødvendig for at dreje turbiner, der driver elektriske kraftgeneratorer. Der er også mange forskningsreaktorer, og nogle lande har atomdrevne ubåde eller overfladeskibe.
kraftværker
Der er flere typer reaktorer af denne type, men letvandsdesignet har fundet bred anvendelse. Til gengæld kan den bruge trykvand eller kogende vand. I det første tilfælde opvarmes væsken under højt tryk af kernens varme og kommer ind i dampgeneratoren. Der overføres varmen fra det primære kredsløb til det sekundære, som også indeholder vand. Den til sidst genererede damp tjener som arbejdsvæske i dampturbinens cyklus.
Reaktoren af kogende type fungerer efter princippet om en direkte energicyklus. Vand, der passerer gennem den aktive zone, bringes i kog ved et gennemsnitligt trykniveau. Mættet damp passerer gennem en række separatorer og tørrere placeret i reaktorbeholderen, som bringer den tiloverophedet tilstand. Den overophedede vanddamp bruges derefter som arbejdsvæske til at dreje en turbine.
Højtemperaturgasafkølet
The High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) er en atomreaktor, hvis driftsprincip er baseret på brugen af en blanding af grafit og brændstofmikrosfærer som brændsel. Der er to konkurrerende designs:
- tysk "filler"-system, der bruger sfæriske brændselsceller med en diameter på 60 mm, som er en blanding af grafit og brændstof i en grafitskal;
- Amerikansk version i form af sekskantede grafitprismer, der griber ind i hinanden og danner en aktiv zone.
I begge tilfælde består kølevæsken af helium ved et tryk på omkring 100 atmosfærer. I det tyske system passerer helium gennem huller i laget af sfæriske brændselselementer, og i det amerikanske system gennem huller i grafitprismer placeret langs aksen af reaktorens centrale zone. Begge muligheder kan fungere ved meget høje temperaturer, da grafit har en ekstrem høj sublimationstemperatur, mens helium er fuldstændig kemisk inert. Varmt helium kan påføres direkte som arbejdsvæske i en gasturbine ved høj temperatur, eller dets varme kan bruges til at generere damp i vandkredsløbet.
Nuklear reaktor i flydende metal: skema og driftsprincip
Hurtige neutronreaktorer med natriumkølevæske fik stor opmærksomhed i 1960'erne og 1970'erne. Derefterdet så ud til, at deres evne til at reproducere nukleart brændsel i den nærmeste fremtid var nødvendig for produktionen af brændstof til den hastigt udviklende nukleare industri. Da det i 1980'erne stod klart, at denne forventning var urealistisk, forsvandt entusiasmen. Der er dog bygget en række reaktorer af denne type i USA, Rusland, Frankrig, Storbritannien, Japan og Tyskland. De fleste af dem kører på urandioxid eller dets blanding med plutoniumdioxid. I USA har den største succes dog været med metalliske brændstoffer.
CANDU
Canada har fokuseret sin indsats på reaktorer, der bruger naturligt uran. Dette eliminerer behovet for dens berigelse for at ty til andre landes tjenester. Resultatet af denne politik var deuterium-uran reaktoren (CANDU). Kontrol og afkøling i den udføres af tungt vand. Enheden og princippet for drift af en atomreaktor er at bruge en tank med kold D2O ved atmosfærisk tryk. Kernen er gennemboret af rør lavet af zirconiumlegering med naturligt uranbrændstof, hvorigennem tungt vand køler den. Elektricitet produceres ved at overføre fissionsvarmen i tungt vand til kølevæske, der cirkuleres gennem dampgeneratoren. Dampen i det sekundære kredsløb passerer derefter gennem den normale turbinecyklus.
Forskningsinstallationer
Til videnskabelig forskning bruges oftest en atomreaktor, hvis princip er at bruge vandkøling oglamellære uranbrændselselementer i form af samlinger. I stand til at fungere over en bred vifte af effektniveauer, fra nogle få kilowatt til hundredvis af megawatt. Da elproduktion ikke er forskningsreaktorernes hovedopgave, er de karakteriseret ved den genererede termiske energi, tæthed og nominelle energi af neutroner i kernen. Det er disse parametre, der er med til at kvantificere en forskningsreaktors evne til at udføre specifikke undersøgelser. Laveffektsystemer bruges typisk på universiteter til undervisningsformål, mens højeffektsystemer er nødvendige i F&U-laboratorier til materiale- og ydeevnetest og generel forskning.
Den mest almindelige forskningsatomreaktor, hvis struktur og funktionsprincip er som følger. Dens aktive zone er placeret i bunden af en stor dyb vandbassin. Dette forenkler observation og placering af kanaler, gennem hvilke neutronstråler kan rettes. Ved lave effektniveauer er det ikke nødvendigt at udlufte kølevæsken, da den naturlige konvektion af kølevæsken giver tilstrækkelig varmeafledning til at opretholde en sikker driftstilstand. Varmeveksleren er norm alt placeret på overfladen eller i toppen af poolen, hvor varmt vand samler sig.
skibsinstallationer
Den oprindelige og primære anvendelse af atomreaktorer er i ubåde. Deres største fordel erat de i modsætning til forbrændingssystemer med fossile brændstoffer ikke kræver luft for at generere elektricitet. Derfor kan en atomubåd forblive nedsænket i lange perioder, mens en konventionel dieselelektrisk ubåd med jævne mellemrum skal op til overfladen for at starte sine motorer i luften. Atomkraft giver en strategisk fordel til flådens skibe. Det eliminerer behovet for at tanke brændstof i udenlandske havne eller fra sårbare tankskibe.
Princippet for drift af en atomreaktor på en ubåd er klassificeret. Det er dog kendt, at det i USA bruger højberiget uran, og nedsættelse og afkøling sker med let vand. Designet af den første reaktor af atomubåden USS Nautilus var stærkt påvirket af kraftfulde forskningsfaciliteter. Dens unikke egenskaber er en meget stor reaktivitetsmargin, som sikrer en lang driftsperiode uden tankning og mulighed for genstart efter et stop. Kraftværket i subs skal være meget støjsvagt for at undgå detektering. For at imødekomme de specifikke behov hos forskellige ubådsklasser blev der skabt forskellige modeller af kraftværker.
Den amerikanske flådes hangarskibe bruger en atomreaktor, hvis princip menes at være lånt fra de største ubåde. Detaljer om deres design er heller ikke blevet frigivet.
Ud over USA har Storbritannien, Frankrig, Rusland, Kina og Indien atomubåde. I hvert tilfælde blev designet ikke afsløret, men det menes, at de alle er meget ens - detteer en konsekvens af de samme krav til deres tekniske egenskaber. Rusland har også en lille flåde af atomdrevne isbrydere, der har de samme reaktorer som sovjetiske ubåde.
Industrielle installationer
Til fremstilling af plutonium-239 af våbenkvalitet anvendes en atomreaktor, hvis princip er høj produktivitet med lav energiproduktion. Dette skyldes, at et langt ophold af plutonium i kernen fører til ophobning af uønskede 240Pu.
Tritium-produktion
I øjeblikket er det vigtigste materiale, der produceres af sådanne systemer, tritium (3H eller T), ladningen til brintbomber. Plutonium-239 har en lang halveringstid på 24.100 år, så lande med atomvåbenarsenaler, der bruger dette grundstof, har en tendens til at have mere af det, end de har brug for. I modsætning til 239Pu har tritium en halveringstid på cirka 12 år. For at opretholde de nødvendige forsyninger skal denne radioaktive isotop af brint således produceres kontinuerligt. I USA har Savannah River, South Carolina, for eksempel flere tungtvandsreaktorer, der producerer tritium.
Flydende kraftenheder
Atomreaktorer er blevet skabt, der kan levere elektricitet og dampvarme til fjerntliggende isolerede områder. I Rusland, for eksempel, har fundet anvendelsesmå kraftværker specielt designet til at betjene arktiske samfund. I Kina leverer et 10 MW HTR-10-anlæg varme og strøm til det forskningsinstitut, hvor det er placeret. Små kontrollerede reaktorer med lignende kapaciteter er under udvikling i Sverige og Canada. Mellem 1960 og 1972 brugte den amerikanske hær kompakte vandreaktorer til at drive fjernbaser i Grønland og Antarktis. De er blevet erstattet af oliefyrede kraftværker.
Udforskning af rummet
Derudover er der udviklet reaktorer til strømforsyning og bevægelse i det ydre rum. Mellem 1967 og 1988 installerede Sovjetunionen små nukleare installationer på Kosmos-satellitterne for at drive udstyr og telemetri, men denne politik blev et mål for kritik. Mindst én af disse satellitter kom ind i jordens atmosfære, hvilket resulterede i radioaktiv forurening af fjerntliggende områder i Canada. USA opsendte kun én atomdrevet satellit i 1965. Der udvikles dog fortsat projekter til deres brug i dybe rumflyvninger, bemandet udforskning af andre planeter eller på en permanent månebase. Det vil nødvendigvis være en gaskølet eller flydende metal atomreaktor, hvis fysiske principper vil give den højest mulige temperatur, der er nødvendig for at minimere radiatorens størrelse. Derudover bør en rumreaktor være så kompakt som muligt for at minimere mængden af materiale, der bruges tilafskærmning og for at reducere vægten under opsendelse og rumflyvning. Brændstofreserven vil sikre driften af reaktoren i hele rumflyvningsperioden.
