Naprava i princip rada nuklearnog reaktora temelje se na inicijalizaciji i kontroli samoodržive nuklearne reakcije. Koristi se kao istraživački alat, za proizvodnju radioaktivnih izotopa i kao izvor energije za nuklearne elektrane.
Nuklearni reaktor: kako radi (ukratko)
Ovdje se koristi proces nuklearne fisije, u kojem se teška jezgra raspada na dva manja fragmenta. Ti su fragmenti u visoko pobuđenom stanju i emitiraju neutrone, druge subatomske čestice i fotone. Neutroni mogu uzrokovati nove fisije, uslijed kojih se emitira više neutrona i tako dalje. Takav kontinuirani samoodrživi niz rascjepa naziva se lančana reakcija. Istovremeno se oslobađa velika količina energije čija je proizvodnja svrha korištenja nuklearnih elektrana.
Princip rada nuklearnog reaktora i nuklearne elektrane je takav da se oko 85% energije fisije oslobađa u vrlo kratkom vremenskom razdoblju nakon početka reakcije. Ostatak se proizvodi urezultat radioaktivnog raspada produkata fisije nakon što su emitirali neutrone. Radioaktivni raspad je proces kojim atom doseže stabilnije stanje. Nastavlja se čak i nakon što je podjela završena.
U atomskoj bombi, lančana reakcija se povećava u intenzitetu dok se većina materijala ne podijeli. To se događa vrlo brzo, proizvodeći iznimno snažne eksplozije karakteristične za takve bombe. Uređaj i princip rada nuklearnog reaktora temelje se na održavanju lančane reakcije na kontroliranoj, gotovo konstantnoj razini. Dizajniran je na način da ne može eksplodirati poput atomske bombe.
lančana reakcija i kritičnost
Fizika nuklearnog fisijskog reaktora je da je lančana reakcija određena vjerojatnošću nuklearne fisije nakon emisije neutrona. Ako se populacija potonjeg smanji, tada će stopa fisije na kraju pasti na nulu. U tom slučaju, reaktor će biti u podkritičnom stanju. Ako se populacija neutrona održava na konstantnoj razini, tada će stopa fisije ostati stabilna. Reaktor će biti u kritičnom stanju. I konačno, ako populacija neutrona s vremenom raste, brzina fisije i snaga će se povećati. Jezgra će postati superkritična.
Princip rada nuklearnog reaktora je sljedeći. Prije lansiranja, populacija neutrona je blizu nule. Operateri tada uklanjaju kontrolne šipke iz jezgre, povećavajući nuklearnu fisiju, što se privremeno prevodireaktor u superkritično stanje. Nakon postizanja nazivne snage, operateri djelomično vraćaju kontrolne šipke, podešavajući broj neutrona. U budućnosti se reaktor održava u kritičnom stanju. Kada ga treba zaustaviti, operateri ubacuju šipke do kraja. Ovo potiskuje fisiju i dovodi jezgru u podkritično stanje.
Vrste reaktora
Većina svjetskih nuklearnih instalacija proizvodi energiju, stvarajući toplinu potrebnu za okretanje turbina koje pokreću generatore električne energije. Postoje i mnogi istraživački reaktori, a neke zemlje imaju podmornice na nuklearni pogon ili površinske brodove.
Elektrane
Postoji nekoliko tipova reaktora ovog tipa, ali dizajn s laganom vodom našao je široku primjenu. Zauzvrat, može koristiti vodu pod pritiskom ili kipuću vodu. U prvom slučaju, tekućina pod visokim tlakom zagrijava se toplinom jezgre i ulazi u generator pare. Tamo se toplina iz primarnog kruga prenosi na sekundarni, koji također sadrži vodu. Konačno stvorena para služi kao radni fluid u ciklusu parne turbine.
Reaktor kipućeg tipa radi na principu izravnog energetskog ciklusa. Voda, prolazeći kroz aktivnu zonu, dovede se do ključanja na prosječnoj razini tlaka. Zasićena para prolazi kroz niz separatora i sušara smještenih u posudi reaktora, što je dovodi dopregrijano stanje. Pregrijana vodena para se zatim koristi kao radni fluid za okretanje turbine.
Plinski hlađen na visokoj temperaturi
Visokotemperaturni plinski hlađeni reaktor (HTGR) je nuklearni reaktor čiji se princip rada temelji na korištenju mješavine grafita i gorivnih mikrosfera kao goriva. Postoje dva konkurentna dizajna:
- njemački sustav "punila" koji koristi sferične gorive ćelije promjera 60 mm, koje su mješavina grafita i goriva u grafitnoj ljusci;
- Američka verzija u obliku grafitnih šesterokutnih prizmi koje se međusobno spajaju u aktivnu zonu.
U oba slučaja, rashladna tekućina se sastoji od helija pod tlakom od oko 100 atmosfera. U njemačkom sustavu helij prolazi kroz praznine u sloju sfernih gorivnih elemenata, a u američkom kroz rupe u grafitnim prizmama koje se nalaze duž osi središnje zone reaktora. Obje opcije mogu raditi na vrlo visokim temperaturama, jer grafit ima izrazito visoku temperaturu sublimacije, dok je helij potpuno kemijski inertan. Vrući helij se može primijeniti izravno kao radni fluid u plinskoj turbini na visokoj temperaturi, ili se njegova toplina može koristiti za generiranje vodene pare.
Nuklearni reaktor na tekuće metale: shema i princip rada
Reaktori na brzim neutronima s natrijevim rashladnim sredstvom dobili su veliku pozornost 1960-ih i 1970-ih. Zatimčinilo se da je njihova sposobnost reprodukcije nuklearnog goriva u bliskoj budućnosti neophodna za proizvodnju goriva za nuklearnu industriju koja se brzo razvija. Kada je 1980-ih postalo jasno da je to očekivanje nerealno, entuzijazam je izblijedio. No, veći broj reaktora ovog tipa izgrađen je u SAD-u, Rusiji, Francuskoj, Velikoj Britaniji, Japanu i Njemačkoj. Većina njih radi na uran dioksidu ili njegovoj mješavini s plutonijevim dioksidom. U Sjedinjenim Državama, međutim, najveći uspjeh je bio s metalnim gorivima.
CANDU
Kanada je svoje napore usmjerila na reaktore koji koriste prirodni uran. Time se eliminira potreba za njegovim obogaćivanjem pribjegavanja uslugama drugih zemalja. Rezultat te politike bio je deuterij-uranijev reaktor (CANDU). Kontrolu i hlađenje u njemu provodi teška voda. Uređaj i princip rada nuklearnog reaktora je korištenje spremnika s hladnim D2O pri atmosferskom tlaku. Jezgru probijaju cijevi od legure cirkonija s prirodnim uranovim gorivom, kroz koje je teška voda hladi. Električna energija se proizvodi prijenosom topline fisije u teškoj vodi na rashladnu tekućinu koja cirkulira kroz generator pare. Para u sekundarnom krugu tada prolazi kroz normalni turbinski ciklus.
Istraživačke instalacije
Za znanstvena istraživanja najčešće se koristi nuklearni reaktor čiji je princip korištenje vodenog hlađenja ilamelarni uran gorivi elementi u obliku sklopova. Može raditi u širokom rasponu razina snage, od nekoliko kilovata do stotina megavata. Budući da proizvodnja električne energije nije glavna zadaća istraživačkih reaktora, oni se odlikuju generiranom toplinskom energijom, gustoćom i nazivnom energijom neutrona u jezgri. Upravo ti parametri pomažu u kvantificiranju sposobnosti istraživačkog reaktora da provede određena istraživanja. Sustavi male snage obično se koriste na sveučilištima u nastavne svrhe, dok su sustavi velike snage potrebni u laboratorijima za istraživanje i razvoj za ispitivanje materijala i performansi te opća istraživanja.
Najčešći istraživački nuklearni reaktor čija je struktura i princip rada sljedeći. Njegova aktivna zona nalazi se na dnu velikog dubokog bazena vode. To pojednostavljuje promatranje i postavljanje kanala kroz koje se mogu usmjeravati neutronske zrake. Pri niskim razinama snage nema potrebe za odzračivanjem rashladne tekućine, jer prirodna konvekcija rashladne tekućine osigurava dovoljno odvođenje topline za održavanje sigurnih radnih uvjeta. Izmjenjivač topline se obično nalazi na površini ili na vrhu bazena gdje se nakuplja topla voda.
Brodske instalacije
Izvorna i glavna upotreba nuklearnih reaktora je u podmornicama. Njihova glavna prednost jeda, za razliku od sustava izgaranja fosilnih goriva, ne zahtijevaju zrak za proizvodnju električne energije. Stoga nuklearna podmornica može ostati potopljena dulje vrijeme, dok se konvencionalna dizel-električna podmornica mora povremeno dizati na površinu kako bi pokrenula svoje motore u zraku. Nuklearna energija daje stratešku prednost brodovima mornarice. Uklanja potrebu za punjenjem goriva u stranim lukama ili iz ranjivih tankera.
Princip rada nuklearnog reaktora na podmornici je klasificiran. No, poznato je da se u SAD-u koristi jako obogaćeni uran, a usporavanje i hlađenje vrši lagana voda. Na dizajn prvog reaktora nuklearne podmornice USS Nautilus snažno su utjecali moćni istraživački objekti. Njegove jedinstvene značajke su vrlo velika margina reaktivnosti, koja osigurava dugo razdoblje rada bez dopunjavanja goriva i mogućnost ponovnog pokretanja nakon zaustavljanja. Elektrana u podmornicama mora biti vrlo tiha kako bi se izbjegla detekcija. Kako bi se zadovoljile specifične potrebe različitih klasa podmornica, stvoreni su različiti modeli elektrana.
Nosači zrakoplova američke mornarice koriste nuklearni reaktor, za čiji se princip vjeruje da je posuđen od najvećih podmornica. Detalji njihovog dizajna također nisu objavljeni.
Osim SAD-a, UK, Francuska, Rusija, Kina i Indija imaju nuklearne podmornice. U svakom slučaju, dizajn nije otkriven, ali se vjeruje da su svi vrlo slični - ovoposljedica je istih zahtjeva za njihove tehničke karakteristike. Rusija također ima malu flotu ledolomaca na nuklearni pogon koji imaju iste reaktore kao i sovjetske podmornice.
Industrijske instalacije
Za proizvodnju plutonija-239 za oružje koristi se nuklearni reaktor čiji je princip visoka produktivnost uz nisku razinu proizvodnje energije. To je zbog činjenice da dugi boravak plutonija u jezgri dovodi do nakupljanja neželjenih 240Pu.
proizvodnja tricija
Trenutno je glavni materijal proizveden u takvim sustavima tricij (3H ili T), punjenje za vodikove bombe. Plutonij-239 ima dug poluživot od 24.100 godina, tako da zemlje s arsenalima nuklearnog oružja koje koriste ovaj element obično ga imaju više nego što im je potrebno. Za razliku od 239Pu, tricij ima poluživot od približno 12 godina. Dakle, kako bi se održale potrebne zalihe, ovaj radioaktivni izotop vodika mora se kontinuirano proizvoditi. U SAD-u, rijeka Savannah, Južna Karolina, na primjer, ima nekoliko reaktora teške vode koji proizvode tricij.
Plutajuće pogonske jedinice
Stvoreni su nuklearni reaktori koji mogu osigurati električnu energiju i parno grijanje u udaljenim izoliranim područjima. U Rusiji su, na primjer, našli primjenumale elektrane posebno dizajnirane za opsluživanje arktičkih zajednica. U Kini, postrojenje HTR-10 snage 10 MW opskrbljuje toplinom i strujom istraživački institut gdje se nalazi. Mali kontrolirani reaktori sličnih sposobnosti razvijaju se u Švedskoj i Kanadi. Između 1960. i 1972. američka vojska koristila je kompaktne vodene reaktore za napajanje udaljenih baza na Grenlandu i Antarktiku. Zamijenile su ih elektrane na ulje.
Istraživanje svemira
Osim toga, razvijeni su reaktori za napajanje i kretanje u svemiru. Između 1967. i 1988. Sovjetski Savez je instalirao male nuklearne instalacije na satelite Kosmos za napajanje opreme i telemetrije, ali je ta politika postala meta kritika. Najmanje jedan od ovih satelita ušao je u Zemljinu atmosferu, što je rezultiralo radioaktivnom kontaminacijom udaljenih područja Kanade. Sjedinjene Države su 1965. lansirale samo jedan satelit na nuklearni pogon. Međutim, nastavljaju se razvijati projekti za njihovu upotrebu u letovima u duboki svemir, istraživanju drugih planeta s ljudskom posadom ili na stalnoj lunarnoj bazi. To će nužno biti plinski hlađeni ili tekući-metalni nuklearni reaktor, čiji će fizikalni principi osigurati najvišu moguću temperaturu potrebnu za minimiziranje veličine radijatora. Osim toga, svemirski reaktor trebao bi biti što je moguće kompaktniji kako bi se količina materijala za koji se koristi bila minimalnazaštite, te za smanjenje težine tijekom lansiranja i leta u svemir. Rezerva goriva će osigurati rad reaktora za cijelo vrijeme svemirskog leta.
