Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, kendi kendini idame ettiren bir nükleer reaksiyonun başlatılmasına ve kontrolüne dayanır. Radyoaktif izotopların üretimi için bir araştırma aracı olarak ve nükleer santraller için bir güç kaynağı olarak kullanılır.
Nükleer reaktör: nasıl çalışır (kısaca)
Burada, ağır bir çekirdeğin iki küçük parçaya ayrıldığı nükleer fisyon süreci kullanılır. Bu parçalar oldukça uyarılmış haldedir ve nötronlar, diğer atom altı parçacıklar ve fotonlar yayarlar. Nötronlar yeni fisyonlara neden olabilir, bunun sonucunda daha fazla nötron yayılır ve bu böyle devam eder. Böyle sürekli, kendi kendini idame ettiren bir bölünmeler dizisine zincirleme reaksiyon denir. Aynı zamanda, üretimi nükleer santrallerin kullanılması amacı olan büyük miktarda enerji açığa çıkar.
Bir nükleer reaktörün ve bir nükleer santralin çalışma prensibi, reaksiyonun başlamasından sonra çok kısa bir süre içinde fisyon enerjisinin yaklaşık %85'inin serbest bırakılması şeklindedir. Geri kalanı üretilirfisyon ürünlerinin nötronları yaydıktan sonra radyoaktif bozunmasının sonucudur. Radyoaktif bozunma, bir atomun daha kararlı bir duruma ulaştığı süreçtir. Bölme tamamlandıktan sonra da devam ediyor.
Bir atom bombasında, maddenin çoğu parçalanana kadar zincirleme reaksiyonun yoğunluğu artar. Bu, çok hızlı bir şekilde gerçekleşir ve bu tür bombaların özelliği olan son derece güçlü patlamaları üretir. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, kontrollü, neredeyse sabit bir seviyede bir zincirleme reaksiyonu sürdürmeye dayanır. Atom bombası gibi patlayamayacak şekilde tasarlanmıştır.
Zincir reaksiyonu ve kritiklik
Bir nükleer fisyon reaktörünün fiziği, zincirleme reaksiyonun, nötronların emisyonundan sonra nükleer fisyon olasılığı tarafından belirlenmesidir. İkincisinin popülasyonu azalırsa, fisyon hızı sonunda sıfıra düşer. Bu durumda reaktör kritik altı bir durumda olacaktır. Nötron popülasyonu sabit bir seviyede tutulursa, fisyon hızı sabit kalacaktır. Reaktör kritik durumda olacak. Ve son olarak, nötron popülasyonu zamanla artarsa, fisyon hızı ve gücü artacaktır. Çekirdek süper kritik hale gelecek.
Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Piyasaya sürülmeden önce nötron popülasyonu sıfıra yakındır. Operatörler daha sonra kontrol çubuklarını çekirdekten çıkararak nükleer fisyonu arttırır, bu da geçici olaraksüper kritik duruma reaktör. Nominal güce ulaştıktan sonra, operatörler nötron sayısını ayarlayarak kontrol çubuklarını kısmen geri gönderir. Gelecekte, reaktör kritik bir durumda tutulur. Durdurulması gerektiğinde operatörler çubukları tamamen yerleştirir. Bu, bölünmeyi bastırır ve çekirdeği kritik olmayan bir duruma getirir.
Reaktör türleri
Dünyadaki nükleer tesislerin çoğu enerji üretir ve elektrik jeneratörlerini çalıştıran türbinleri döndürmek için gereken ısıyı üretir. Ayrıca birçok araştırma reaktörü var ve bazı ülkelerde nükleer enerjiyle çalışan deniz altılar veya yüzey gemileri var.
Enerji santralleri
Bu tipte birkaç tip reaktör vardır, ancak hafif su tasarımı geniş uygulama alanı bulmuştur. Buna karşılık, basınçlı su veya kaynar su kullanabilir. İlk durumda, yüksek basınç altındaki sıvı, çekirdeğin ısısıyla ısıtılır ve buhar üreticisine girer. Orada, birincil devreden gelen ısı, aynı zamanda su içeren sekondere aktarılır. Sonunda üretilen buhar, buhar türbini döngüsünde çalışma sıvısı olarak hizmet eder.
Kaynayan tip reaktör, doğrudan enerji döngüsü prensibine göre çalışır. Aktif bölgeden geçen su, ortalama basınç seviyesinde kaynatılır. Doymuş buhar, reaktör kabında bulunan bir dizi ayırıcı ve kurutucudan geçer ve bu da onuaşırı ısıtılmış durum. Kızgın buhar daha sonra türbini döndürmek için çalışma sıvısı olarak kullanılır.
Yüksek Sıcaklık Gaz Soğutmalı
Yüksek Sıcaklık Gaz Soğutmalı Reaktör (HTGR), çalışma prensibi yakıt olarak grafit ve yakıt mikro kürelerinin bir karışımının kullanılmasına dayanan bir nükleer reaktördür. İki rakip tasarım var:
- Grafit bir kabukta grafit ve yakıt karışımı olan 60 mm çapında küresel yakıt hücrelerini kullanan Alman "dolgu" sistemi;
- Aktif bir bölge oluşturmak için birbirine kenetlenen grafit altıgen prizmalar şeklindeki Amerikan versiyonu.
Her iki durumda da, soğutma sıvısı yaklaşık 100 atmosferlik bir basınçta helyumdan oluşur. Alman sisteminde helyum, küresel yakıt elemanları tabakasındaki boşluklardan ve Amerikan sisteminde, reaktörün merkezi bölgesinin ekseni boyunca yer alan grafit prizmalardaki deliklerden geçer. Grafit son derece yüksek bir süblimasyon sıcaklığına sahip olduğundan, helyum tamamen kimyasal olarak inert olduğundan, her iki seçenek de çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. Sıcak helyum, yüksek sıcaklıkta bir gaz türbininde doğrudan çalışma sıvısı olarak uygulanabilir veya ısısı su döngüsü buharı üretmek için kullanılabilir.
Sıvı metal nükleer reaktör: şema ve çalışma prensibi
Sodyum soğutuculu hızlı nötron reaktörleri 1960'larda ve 1970'lerde çok ilgi gördü. SonraYakın gelecekte nükleer yakıtı yeniden üretme yeteneklerinin hızla gelişen nükleer endüstri için yakıt üretimi için gerekli olduğu görülüyordu. 1980'lerde bu beklentinin gerçekçi olmadığı ortaya çıkınca, heves söndü. Bununla birlikte, ABD, Rusya, Fransa, Büyük Britanya, Japonya ve Almanya'da bu tipte bir dizi reaktör inşa edilmiştir. Çoğu, uranyum dioksit veya plütonyum dioksit ile karışımı üzerinde çalışır. Ancak Amerika Birleşik Devletleri'nde en büyük başarı metalik yakıtlarla elde edildi.
CANDU
Kanada, çabalarını doğal uranyum kullanan reaktörlere odakladı. Bu, diğer ülkelerin hizmetlerine başvurmak için zenginleştirme ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu politikanın sonucu döteryum-uranyum reaktörü (CANDU) oldu. İçindeki kontrol ve soğutma ağır su ile gerçekleştirilir. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, atmosfer basıncında soğuk D2O içeren bir tank kullanmaktır. Çekirdek, doğal uranyum yakıtlı zirkonyum alaşımından yapılmış borularla delinir ve içinden ağır su onu soğutur. Elektrik, ağır sudaki fisyon ısısının buhar üretecinde dolaşan soğutucuya aktarılmasıyla üretilir. İkincil devredeki buhar daha sonra normal türbin döngüsünden geçer.
Araştırma kurulumları
Bilimsel araştırmalar için, prensibi su soğutma ve su soğutma kullanmak olan bir nükleer reaktör çoğunlukla kullanılır.düzenekler şeklinde katmanlı uranyum yakıt elemanları. Birkaç kilowatt'tan yüzlerce megawatt'a kadar çok çeşitli güç seviyelerinde çalışabilir. Güç üretimi araştırma reaktörlerinin ana görevi olmadığından, çekirdekte üretilen termal enerji, yoğunluk ve nötronların nominal enerjisi ile karakterize edilirler. Bir araştırma reaktörünün belirli araştırmalar yürütme yeteneğini ölçmeye yardımcı olan bu parametrelerdir. Düşük güçlü sistemler genellikle üniversitelerde öğretim amacıyla kullanılırken, Ar-Ge laboratuvarlarında malzeme ve performans testi ve genel araştırma için yüksek güçlü sistemlere ihtiyaç duyulur.
Yapısı ve çalışma prensibi aşağıdaki gibi olan en yaygın araştırma nükleer reaktörü. Aktif bölgesi, büyük bir derin su havuzunun dibinde bulunur. Bu, nötron ışınlarının yönlendirilebileceği kanalların gözlenmesini ve yerleştirilmesini basitleştirir. Düşük güç seviyelerinde, soğutucunun doğal konveksiyonu, güvenli bir çalışma koşulu sağlamak için yeterli ısı dağılımı sağladığından, soğutucuyu boş altmaya gerek yoktur. Isı eşanjörü genellikle sıcak suyun biriktiği havuzun yüzeyinde veya tepesinde bulunur.
Gemi kurulumları
Nükleer reaktörlerin orijinal ve ana kullanımı deniz altılardadır. Onların ana avantajıfosil yakıt yakma sistemlerinden farklı olarak, elektrik üretmek için havaya ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle, bir nükleer deniz altı uzun süre su altında kalabilirken, geleneksel bir dizel-elektrik deniz altısı motorlarını havada çalıştırmak için periyodik olarak yüzeye çıkmak zorundadır. Nükleer güç, Donanma gemilerine stratejik bir avantaj sağlar. Yabancı limanlarda veya savunmasız tankerlerden yakıt ikmali yapma ihtiyacını ortadan kaldırır.
Bir nükleer reaktörün deniz altı üzerinde çalışma prensibi sınıflandırılmıştır. Ancak ABD'de yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanıldığı, yavaşlama ve soğutmanın hafif su ile yapıldığı biliniyor. Nükleer deniz altı USS Nautilus'un ilk reaktörünün tasarımı, güçlü araştırma tesislerinden güçlü bir şekilde etkilendi. Eşsiz özellikleri, yakıt doldurmadan uzun bir çalışma süresi sağlayan çok geniş bir tepkime marjı ve durduktan sonra yeniden başlatma yeteneğidir. Tespitten kaçınmak için deniz altılardaki güç istasyonu çok sessiz olmalıdır. Farklı deniz altı sınıflarının özel ihtiyaçlarını karşılamak için farklı enerji santralleri modelleri oluşturuldu.
ABD Donanması uçak gemileri, prensibinin en büyük deniz altılardan ödünç alındığına inanılan bir nükleer reaktör kullanır. Tasarımlarının detayları da açıklanmadı.
ABD'ye ek olarak İngiltere, Fransa, Rusya, Çin ve Hindistan'ın nükleer deniz altıları var. Her durumda, tasarım açıklanmadı, ancak hepsinin çok benzer olduğuna inanılıyor - buteknik özellikleri için aynı gereksinimlerin bir sonucudur. Rusya'nın ayrıca Sovyet deniz altılarıyla aynı reaktörlere sahip nükleer enerjili buz kırıcılardan oluşan küçük bir filosu var.
Endüstriyel tesisler
Silah sınıfı plütonyum-239 üretimi için, prensibi düşük enerji üretimi ile yüksek verimlilik olan bir nükleer reaktör kullanılır. Bunun nedeni, çekirdekte uzun süre plütonyum kalması istenmeyen 240Pu.
birikmesine yol açmasıdır.
Trityum üretimi
Şu anda, bu tür sistemler tarafından üretilen ana malzeme, hidrojen bombalarının yükü olan trityumdur (3H veya T). Plütonyum-239, 24.100 yıllık uzun bir yarı ömre sahiptir, bu nedenle bu elementi kullanan nükleer silah cephaneliğine sahip ülkeler, ihtiyaç duyduklarından daha fazlasına sahip olma eğilimindedir. 239Pu'nun aksine, trityumun yarılanma ömrü yaklaşık 12 yıldır. Bu nedenle, gerekli kaynakları korumak için, bu radyoaktif hidrojen izotopunun sürekli olarak üretilmesi gerekir. ABD'de, örneğin Güney Carolina'daki Savannah Nehri'nde trityum üreten birkaç ağır su reaktörü vardır.
Yüzer güç üniteleri
Uzak izole alanlara elektrik ve buharla ısıtma sağlayabilen nükleer reaktörler oluşturuldu. Rusya'da, örneğin, uygulama buldukArktik topluluklarına hizmet etmek için özel olarak tasarlanmış küçük enerji santralleri. Çin'de 10 MW'lık bir HTR-10 tesisi, bulunduğu araştırma enstitüsüne ısı ve güç sağlıyor. Benzer yeteneklere sahip küçük kontrollü reaktörler İsveç ve Kanada'da geliştirilmektedir. 1960 ve 1972 yılları arasında ABD Ordusu, Grönland ve Antarktika'daki uzak üslere güç sağlamak için kompakt su reaktörleri kullandı. Bunların yerini petrolle çalışan enerji santralleri aldı.
Uzay keşfi
Ayrıca, güç kaynağı ve uzayda hareket için reaktörler geliştirildi. 1967 ve 1988 yılları arasında Sovyetler Birliği, Kosmos uydularına güç ekipmanı ve telemetri için küçük nükleer tesisler kurdu, ancak bu politika eleştirilerin hedefi haline geldi. Bu uydulardan en az biri Dünya atmosferine girerek Kanada'nın uzak bölgelerinin radyoaktif kirlenmesine neden oldu. Amerika Birleşik Devletleri 1965'te sadece bir nükleer enerjili uydu fırlattı. Bununla birlikte, derin uzay uçuşlarında, diğer gezegenlerin insanlı keşfinde veya kalıcı bir ay üssünde kullanımları için projeler geliştirilmeye devam ediyor. Radyatörün boyutunu en aza indirmek için fiziksel prensipleri mümkün olan en yüksek sıcaklığı sağlayacak olan gaz soğutmalı veya sıvı metal nükleer reaktör olmalıdır. Ek olarak, bir uzay reaktörü, kullanılan malzeme miktarını en aza indirmek için mümkün olduğunca kompakt olmalıdır.kalkan ve fırlatma ve uzay uçuşu sırasında ağırlığı az altmak için. Yakıt rezervi, uzay uçuşunun tüm süresi boyunca reaktörün çalışmasını sağlayacaktır.
