Yadro reaktori: ishlatish printsipi, qurilma va elektron

Yadroviy reaktorni loyihalash va ishlab chiqarish o'z-o'zidan mustahkamlovchi yadro reaktsiyasini boshlash va nazorat qilishga asoslangan. U radioaktiv izotoplarni ishlab chiqarish va atom elektr stantsiyalari uchun energiya manbai sifatida tadqiqot vositasi sifatida ishlatiladi.

Yadro reaktori: ishlatish tamoyili (qisqacha)

Bu erda yadro bo'linishi jarayoni qo'llanilib, unda og'ir yadro ikkita kichik qismga bo'linadi. Bu qismlar juda qo'zg'alib turadi va neytronlar, boshqa subatomik zarralar va fotonlar chiqaradi. Neytronlar yangi flaktsiyalarga olib kelishi mumkin, natijada ular yanada ko'proq radiatsiya va boshqalar. Bunday doimiy uzluksiz parchalanish seriyasiga zanjir reaktsiyasi deyiladi. Shu bilan birga, ko'p miqdorda energiya ajratiladi, uning ishlab chiqarilishi atom elektr stantsiyalaridan foydalanish maqsadidir.

Yadroviy reaktor va atom stansiyasining ishlash printsipi shundaki, parchalanish energiyasining 85% koloniyasi reaksiya boshlanganidan keyin juda qisqa vaqt ichida chiqariladi. Qolgan qismlar neytronlar chiqarilgandan so'ng fission mahsulotlarining radioaktiv parchalanishi natijasida hosil bo'ladi. Radioaktiv parchalanish atomning barqaror holatiga etib boradigan jarayondir. Bo'lim tugagandan keyin davom etadi.

Atom bombasiga zanjirli reaksiya materiallarning aksariyati bo'lmagunga qadar uning zichligini oshiradi. Bu juda tez sodir bo'ladi, bunday portlashlar uchun juda kuchli portlashlar yuzaga keladi. Yadro reaktorining dizayni va ishlashi zanjir reaktsiyasini tartibga solingan, deyarli qattiq darajada saqlab turishga asoslangan. U atom bombasi kabi portlab bo'lmaydigan tarzda yaratilgan.

Zanjir reaktsiyasi va kritiklik

Yadro yadrosi reaktorining fizikasi zanjir reaktsiyasi neytronlarning chiqishi natijasida yadroni bo'laklash ehtimolligi bilan aniqlanadi. Agar keyingi aholi soni tushib qolsa, unda emissiya darajasi nolga tushadi. Bu holda reaktor subkritik holatda bo'ladi. Agar neytronlar aholisi doimiy darajada saqlanib qolsa, u holda parchalanish darajasi barqaror turadi. Reaktor juda og'ir ahvolda. Va, nihoyat, neytron populyatsiyasi vaqt o'tishi bilan ortib ketganda, uning miqdori va quvvat darajasi oshadi. Yadro holati o'ta sharafli bo'ladi.

Yadroviy reaktorning ishlash printsipi quyidagicha. Uning ishga tushirilishidan oldin neytron populyatsiyasi nolga yaqin. Keyinchalik operatorlar yadrodan nazorat qilish majmuasini olib tashlab, yadrolarning tarqalishini oshirib, vaqtincha reaktorni superkritik holatga o'tkazadi. Nominal kuchga erishgach, operatorlar qisman neytronlar sonini tartibga solib, nazorat qilish majmuasini qaytaradi. Kelajakda reaktor juda muhim holatda saqlanadi. To'xtatish kerak bo'lganda, operatorlar novdalarni to'liq joylashtiradi. Bu bo'linishni bostiradi va faol mintaqani subkritik holatga o'tkazadi.

Reaktorlarning turlari

Dunyoda mavjud bo'lgan yadro inshootlarining aksariyati elektr energiyasini ishlab chiqaruvchi qurilmalarda turbinalar aylanishida zarur bo'lgan energiya hosil qiluvchi issiqlikdir. Shuningdek, ko'plab tadqiqot reaktorlari mavjud va ba'zi mamlakatlarda atom energiyasiga asoslangan suv osti kemalari yoki sirt kemalari mavjud.

Elektr stantsiyalari

Ushbu turdagi reaktorlarning bir nechta turlari bor, ammo engil suvda qurilish keng qo'llanilgan. O'z navbatida, suv bosim ostida yoki qaynoq suvda ishlatilishi mumkin. Birinchi holatda, yuqori bosim ostida suyuq yadro issiqligida isitiladi va bug 'generatoriga kiradi. Bu erda asosiy oqimdan issiqlik ikkinchi darajali devordagi suvni o'z ichiga oladi. Oxirgi tahlilda ishlab chiqarilgan bug 'bug' turbini aylanish jarayonida ishlaydigan suyuqlik vazifasini bajaradi.

Qaynashga asoslangan reaktor to'g'ridan-to'g'ri energiya aylanishi printsipi asosida ishlaydi. Faol zonadan o'tgan suv o'rtacha bosim darajasida qaynatiladi. To'yingan bug 'reaktor reagentida joylashgan bir qator seperator va kurutgichdan o'tadi va bu juda qizib ketishiga olib keladi. Yuqori isitilgan suv bug'i turbinani aylanadigan ishchi suyuqlik sifatida ishlatiladi.

Gaz bilan sovutishli yuqori harorat

Yuqori haroratli gazli sovutilgan reaktor (HTGR) yadro reaktor bo'lib, uning asosini yonilg'i sifatida grafit va yonilg'i mikrosferalari aralashmasidan foydalanishga asoslanadi. Ikki raqobatlashadigan dizayn mavjud:

• Grafit qobig'idagi grafit va yoqilg'ining aralashmasi bo'lgan 60 mm diametrli global yoqilg'i kameralarini ishlatadigan nemis "to'ldirish" tizimi;
• Amerikalik variant - grafit olti burchakli prizmalar shaklida bo'lib, faol zonani tashkil qiladi.

Ikkala holatda ham sovutuvchi suyuqlik 100 ga yaqin atmosfera bosimi ostida geliydan iborat. Nemis tizimida geliy sferik yonilg'i xujayralarining bir qatlamidagi bo'shliqlardan va Amerika tizimida reaktorning markaziy zonasi o'qi bo'ylab joylashgan grafit prizmalaridagi teshiklardan o'tadi. Har ikkala variant ham juda yuqori haroratlarda ishlay olishi mumkin, chunki grafit juda yuqori sublimatsiya haroratiga ega va geliy to'liq kimyoviy jihatdan inertdir. Issiq geliy to'g'ridan-to'g'ri yuqori haroratda gaz turbinasidagi ishlaydigan suyuqlik sifatida ishlatilishi mumkin yoki uning issiqligi suv aylanishining bug'ini hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin.

Suyuq metall reaktori: ish tartibi va printsipi

1960 va 1970-yillarda natriy sovutgich bilan tez neytron reaktori katta e'tibor berildi. Keyinchalik yaqin kelajakda yadroviy yoqilg'ini qayta ishlab chiqarish qobiliyati tez rivojlanayotgan atom sanoati uchun yoqilg'i ishlab chiqarish uchun zarur. 1980-yillarda bu taxminning haqiqiy emasligi aniqlanganidan so'ng, g'ayrat-shijoat o'chdi. Biroq, ushbu turdagi reaktorlarning soni AQSh, Rossiya, Frantsiya, Buyuk Britaniya, Yaponiya va Germaniyada qurilgan. Ularning ko'pchiligi uran dioksidi yoki plutonyum dioksid bilan aralashmasi ustida ishlaydi. Biroq, Qo'shma Shtatlarda metall yog 'bilan eng katta muvaffaqiyatga erishildi.

CANDU

Kanada uranni tabiiy uran ishlatadigan reaktorlarga qaratdi. Bu esa boshqa mamlakatlarning xizmatlariga murojaat qilishni boyitishni talab qiladi. Ushbu siyosatning natijasi deuterium-uranli reaktor (CANDU) edi. Suvni nazorat qilish va sovutish og'ir suv bilan ishlab chiqariladi. Atom reaktori qurilmasi va ishlash printsipi atmosfera bosimida sovuq D ₂ O bo'lgan tankdan foydalanishdan iborat. Faol zona zirkonyum qotishma quvurlari bilan tabiiy uran yoqilg'isida yonilg'i bilan o'tadi, u orqali og'ir suv sovutish aylanadi. Elektr quvvati bug' generatorida aylanib yuradigan sovutadigan suyuqlikka og'ir suvda bo'linishning issiqligini etkazib berish orqali ishlab chiqariladi. Ikkinchi davradagi bug 'oddiy turbinli aylanish jarayonidan o'tadi.

Tadqiqot qurilmalari

Ilmiy tadqiqotlar o'tkazish uchun eng ko'p ishlatiladigan yadroviy reaktor, uning asosini suv sovutgichlaridan va plastinkaga o'xshash uranli yoqilg'ilarni yig'ish shaklida ishlatishdan iborat. Bir necha kilovattdan yuzlab megavatlargacha bo'lgan keng quvvatli quvvat darajasida ishlashga qodir. Elektroenergiya tadqiqot reaktorlarining asosiy vazifasi emasligi sababli ular hosil bo'lgan issiqlik energiyasi, zichlik va yadroli neytronlarning nominal energiyasi bilan ajralib turadi. Tadqiqot reaktorining muayyan tekshiruvlar o'tkazish qobiliyatini aniqlashga yordam beradigan bu parametrlar. Kam quvvatli tizimlar universitetlarda ishlashga moyil bo'lib, o'qitish uchun ishlatiladi va sinov laboratoriyalarida sinov materiallari va xususiyatlari va umumiy tadqiqot uchun yuqori quvvat talab qilinadi.

Eng keng tarqalgan tadqiqot yadro reaktori, ularning strukturasi va faoliyat tamoyillari quyidagicha. Faol zonasi katta chuqur havzaning pastki qismida suv bilan qoplangan. Bu neytron chiroqlarni boshqaradigan kanallarni kuzatish va joylashtirishni osonlashtiradi. Kam kuch darajasida, sovutish moslamasini nasosga ulash kerak emas, chunki xavfsiz ish holatini saqlab qolish uchun sovutish suvi tabiiy konvektsiya etarli issiqlikni yo'qotishni ta'minlaydi. Issiqlik moslamasi, qoida tariqasida, havzaning yuqori qismida yoki issiq suv to'plangan joyda joylashgan.

Kema qurilmalari

Yadro reaktorlarining dastlabki va asosiy qo'llanilishi ularning suv osti kemalarida ishlatilishi hisoblanadi. Ularning asosiy afzalligi, fotoalbom yonilg'i yoqish tizimidan farqli o'laroq, ular elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun havo kerak emas. Natijada, atomik dengiz osti kemasi uzoq vaqt davomida suvga cho'mishi mumkin va konvektsional dizel-elektr suv osti kemasi havo vositalarini ishga tushirish uchun vaqti-vaqti bilan yuzaga chiqishi kerak. Yadro energiyasi dengiz kemalariga strategik afzallik beradi. Shu sababli xorijiy portlarda yoki osongina zaif tankerlardan yoqilg'i quyish kerak emas.

Bir dengiz ostidagi yadro reaktorining ishlash tamoyili tasniflanadi. Ammo ma'lum bo'lishicha, AQShda yuqori darajada boyitilgan uran ishlatiladi, sekinlashuv va sovutish esa engil suv bilan ishlab chiqariladi. Birinchi USS Nautilus yadroviy suvosti reaktorining dizayni qudratli tadqiqot muassasalari tomonidan kuchli ta'sir ko'rsatdi. Uning o'ziga xos xususiyatlari - reaktivlikning juda katta zahirasi bo'lib, yonilg'i quyishdan uzoq muddat foydalanish va to'xtashdan keyin qayta boshlash imkonini beradi. Dengiz ostidagi suvosti stantsiyani aniqlanmaslik uchun juda xotirjam bo'lishi kerak. Turli suv osti kemalarining maxsus ehtiyojlarini qondirish uchun elektr stansiyalarning turli modellari yaratildi.

AQSh Dengiz kuchlari havo kemalari yadroviy reaktordan foydalanadi, ularning asosiy printsipi eng katta suv osti kemalari tomonidan qarzga olingan. Dizaynlarining tafsilotlari ham chop etilmadi.

Qo'shma Shtatlardan tashqari, Angliya, Fransiya, Rossiya, Xitoy va Hindistonda atom batareyalari mavjud. Har bir holatda, dizayni oshkor qilinmagan, ammo ularning barchasi bir-biriga o'xshash deb hisoblanmoqda - bu ularning texnik tavsiflari uchun bir xil talablarning natijasidir. Rossiyada ham xuddi shunday reaktorlarni o'rnatgan, sovet suv osti kemalarida bo'lgani singari, kichik yadroviy muzlatkichlarning kichik floti bor.

Sanoat korxonalari

Qurol-yarog'li plutonium-239 ishlab chiqarish uchun yadroviy reaktor qo'llaniladi, uning ish printsipi energiya ishlab chiqarishning past darajasi bilan yuqori mahsuldorlik hisoblanadi. Buning sababi yadroda plutonyumning uzoq muddatli qolishi istenmaydigan ²⁴⁰ Pu qo'shilishiga olib keladi.

Trityum ishlab chiqarish

Hozirgi vaqtda bunday tizimlar yordamida olingan asosiy material tritiy (3H yoki T) - vodorod bomba uchun zaryaddir. Plutonium-239 uzunligi yarim yilga 24,1 ming yilni tashkil qiladi, shuning uchun bu elementni ishlatadigan yadroviy qurolga ega bo'lgan mamlakatlar zaruriyroqdir. ²³⁹ Pu dan farqli o'laroq, trityumning yarmi muddati taxminan 12 yil. Shunday qilib, zarur zahiralarni saqlab qolish uchun vodorodning radioaktiv izotopi doimiy ravishda ishlab chiqarilishi kerak. AQShda Savannax daryosida (Janubiy Karolina), masalan, trityum ishlab chiqaradigan bir necha og'ir suv reaktorlari mavjud.

Yuzlab turgan energiya qitish

Yadro reaktorlari qurilgan bo'lib, ular elektr va bug'li isitgich bilan uzoqlashgan xavfsiz hududlarni ta'minlaydi. Rossiyada, masalan, arktika xizmatlarini ko'rsatish uchun maxsus mo'ljallangan, kichik elektr stantsiyalari ishlatilgan. Xitoyda 10 MVt quvvatga ega HTR-10 qurilmasi issiqlik va elektr energiyasi bilan ta'minlanadigan tadqiqot institutiga etkazib beradi. Shvetsiya va Kanadada o'xshash imkoniyatlarga ega bo'lgan kichik, avtomatik tarzda boshqariladigan reaktorlarning rivojlanishi davom etmoqda. 1960 va 1972 yillar orasida AQSh qo'shinlari Grenlandiya va Antarktidaning uzoqdagi bazalarini ta'minlash uchun ixcham suv reaktorlaridan foydalanganlar. Ularning o'rniga qora yog'li elektr stantsiyalari joylashtirilgan.

Kosmik fath

Bundan tashqari, tashqi muhitda elektr ta'minoti va harakatlanish uchun reaktor ishlab chiqildi. Sovet Ittifoqi 1967-1988 yillar mobaynida Cosmos seriyali sun'iy yo'ldosh uskunalari va telemetriya uchun kichik atom qurollarini o'rnatdi, ammo bu siyosat tanqidning maqsadi bo'ldi. Ushbu sun'iy yo'ldoshlardan kamida bittasi Yer atmosferasiga kirib, Kanadadagi uzoq hududlarda radioaktiv ifloslanishni keltirib chiqardi. Qo'shma Shtatlar 1965 yilda yadroviy reaktori bo'lgan bitta sun'iy yo'ldoshni ishga tushirdi. Biroq, uzoq masofali kosmik missiyalarda, boshqa sayyoralar bilan ishlaydigan yoki doimiy oylik bazalarda foydalanish bo'yicha loyihalar ishlab chiqilmoqda. Bu, albatta, gaz bilan jihozlangan yoki suyuq metalli yadroviy reaktor bo'lib, jismoniy tamoyillari radiator kattaligini kamaytirish uchun zarur bo'lgan eng yuqori haroratni ta'minlaydi. Bunga qo'shimcha ravishda, kosmik texnologiyasi uchun mo'ljallangan reaktor, iloji boricha ixcham bo'lishi kerak, chunki ekranlash uchun ishlatiladigan material miqdorini kamaytirish va uchish va kosmik parvoz paytida og'irlikni kamaytirish kerak. Yonilg'i zahirasi reaktorning butun kosmik parvoz davrida ishlashini ta'minlaydi.