Enheten og prinsippet for drift av en atomreaktor er basert på initialisering og kontroll av en selvopprettholdende atomreaksjon. Den brukes som et forskningsverktøy, for produksjon av radioaktive isotoper, og som en kraftkilde for kjernekraftverk.
Atomreaktor: hvordan den fungerer (kort)
Her brukes prosessen med kjernefysisk fisjon, der en tung kjerne brytes opp i to mindre fragmenter. Disse fragmentene er i en svært opphisset tilstand og sender ut nøytroner, andre subatomære partikler og fotoner. Nøytroner kan forårsake nye sp altninger, som et resultat av at flere nøytroner sendes ut, og så videre. En slik kontinuerlig selvopprettholdende serie av splittelser kalles en kjedereaksjon. Samtidig frigjøres en stor mengde energi som produksjonen av dette er formålet med bruk av kjernekraftverk.
Prinsippet for driften av en kjernereaktor og et kjernekraftverk er slik at ca. 85 % av fisjonsenergien frigjøres i løpet av svært kort tid etter starten av reaksjonen. Resten produseres iresultatet av radioaktivt nedbrytning av fisjonsprodukter etter at de har avgitt nøytroner. Radioaktivt forfall er prosessen der et atom når en mer stabil tilstand. Den fortsetter selv etter at delingen er fullført.
I en atombombe øker kjedereaksjonen i intensitet til det meste av materialet er splittet. Dette skjer veldig raskt, og produserer ekstremt kraftige eksplosjoner som er karakteristiske for slike bomber. Enheten og prinsippet for drift av en atomreaktor er basert på å opprettholde en kjedereaksjon på et kontrollert, nesten konstant nivå. Den er designet på en slik måte at den ikke kan eksplodere som en atombombe.
kjedereaksjon og kritikk
Fysikken til en kjernefysisk fisjonsreaktor er at kjedereaksjonen bestemmes av sannsynligheten for kjernefysisk fisjon etter utslipp av nøytroner. Hvis befolkningen til sistnevnte synker, vil fisjonshastigheten til slutt falle til null. I dette tilfellet vil reaktoren være i en subkritisk tilstand. Hvis populasjonen av nøytroner holdes på et konstant nivå, vil fisjonshastigheten forbli stabil. Reaktoren vil være i kritisk tilstand. Og til slutt, hvis populasjonen av nøytroner vokser over tid, vil fisjonshastigheten og kraften øke. Kjernen vil bli superkritisk.
Prinsippet for drift av en atomreaktor er som følger. Før lanseringen er nøytronpopulasjonen nær null. Operatørene fjerner deretter kontrollstengene fra kjernen, noe som øker kjernefysisk fisjon, som midlertidig oversettesreaktor til superkritisk tilstand. Etter å ha nådd den nominelle effekten, returnerer operatørene delvis kontrollstengene, og justerer antall nøytroner. I fremtiden holdes reaktoren i en kritisk tilstand. Når den må stoppes, setter operatørene inn stengene helt. Dette undertrykker fisjon og bringer kjernen til en subkritisk tilstand.
Typer reaktorer
De fleste av verdens atominstallasjoner er energigenererende, og genererer varmen som trengs for å snu turbiner som driver elektriske kraftgeneratorer. Det er også mange forskningsreaktorer, og noen land har atomdrevne ubåter eller overflateskip.
Kraftverk
Det finnes flere typer reaktorer av denne typen, men designen med lett vann har fått bred anvendelse. På sin side kan den bruke trykkvann eller kokende vann. I det første tilfellet oppvarmes væsken under høyt trykk av varmen fra kjernen og kommer inn i dampgeneratoren. Der overføres varmen fra primærkretsen til sekundæren, som også inneholder vann. Den til slutt genererte dampen fungerer som arbeidsfluid i dampturbinsyklusen.
Den kokende reaktoren opererer etter prinsippet om en direkte energisyklus. Vann, som passerer gjennom den aktive sonen, bringes til å koke ved et gjennomsnittlig trykknivå. Mettet damp passerer gjennom en rekke separatorer og tørkere plassert i reaktorbeholderen, som bringer den tiloveropphetet tilstand. Den overopphetede vanndampen brukes deretter som arbeidsvæske for å snu en turbin.
Høytemperaturgasskjølt
The High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) er en atomreaktor hvis driftsprinsipp er basert på bruk av en blanding av grafitt og brenselmikrokuler som brensel. Det er to konkurrerende design:
- tysk "fyller"-system som bruker sfæriske brenselceller med en diameter på 60 mm, som er en blanding av grafitt og drivstoff i et grafittskall;
- Amerikansk versjon i form av sekskantede grafittprismer som låses sammen for å danne en aktiv sone.
I begge tilfeller består kjølevæsken av helium ved et trykk på ca. 100 atmosfærer. I det tyske systemet passerer helium gjennom hull i laget av sfæriske brenselelementer, og i det amerikanske systemet gjennom hull i grafittprismer plassert langs aksen til reaktorens sentrale sone. Begge alternativene kan operere ved svært høye temperaturer, da grafitt har en ekstremt høy sublimasjonstemperatur, mens helium er fullstendig kjemisk inert. Varmt helium kan påføres direkte som arbeidsfluid i en gassturbin ved høy temperatur, eller varmen kan brukes til å generere damp i vannets syklus.
Flytende metall atomreaktor: plan og prinsipp for drift
Raske nøytronreaktorer med natriumkjølevæske fikk mye oppmerksomhet på 1960- og 1970-tallet. Deretterdet så ut til at deres evne til å reprodusere kjernebrensel i nær fremtid var nødvendig for produksjon av drivstoff til den raskt utviklende kjernefysiske industrien. Da det på 1980-tallet ble klart at denne forventningen var urealistisk, bleknet entusiasmen. Det er imidlertid bygget en rekke reaktorer av denne typen i USA, Russland, Frankrike, Storbritannia, Japan og Tyskland. De fleste av dem kjører på urandioksid eller dets blanding med plutoniumdioksid. I USA har imidlertid den største suksessen vært med metallisk drivstoff.
CANDU
Canada har fokusert innsatsen på reaktorer som bruker naturlig uran. Dette eliminerer behovet for berikelse for å ty til tjenester fra andre land. Resultatet av denne politikken var deuterium-uran-reaktoren (CANDU). Kontroll og kjøling i den utføres av tungtvann. Enheten og prinsippet for drift av en atomreaktor er å bruke en tank med kald D2O ved atmosfærisk trykk. Kjernen er gjennomboret av rør laget av zirkoniumlegering med naturlig uranbrensel, som tungtvann kjøler den gjennom. Elektrisitet produseres ved å overføre fisjonsvarmen i tungtvann til kjølevæske som sirkuleres gjennom dampgeneratoren. Dampen i sekundærkretsen går deretter gjennom den normale turbinsyklusen.
Forskningsinstallasjoner
For vitenskapelig forskning brukes oftest en atomreaktor som har som prinsipp å bruke vannkjøling oglamellære uranbrenselelementer i form av sammenstillinger. Kan operere over et bredt spekter av effektnivåer, fra noen få kilowatt til hundrevis av megawatt. Siden kraftproduksjon ikke er hovedoppgaven til forskningsreaktorer, er de preget av generert termisk energi, tetthet og nominell energi til nøytroner i kjernen. Det er disse parameterne som bidrar til å kvantifisere en forskningsreaktors evne til å gjennomføre spesifikke undersøkelser. Laveffektsystemer brukes vanligvis på universiteter til undervisningsformål, mens høyeffektsystemer er nødvendig i FoU-laboratorier for material- og ytelsestesting og generell forskning.
Den vanligste forskningsatomreaktoren, hvis struktur og driftsprinsipp er som følger. Dens aktive sone ligger på bunnen av et stort dypt basseng med vann. Dette forenkler observasjon og plassering av kanaler som nøytronstråler kan rettes gjennom. Ved lave effektnivåer er det ikke nødvendig å tømme kjølevæsken, da den naturlige konveksjonen til kjølevæsken gir tilstrekkelig varmeavledning til å opprettholde en sikker driftstilstand. Varmeveksleren er vanligvis plassert på overflaten eller på toppen av bassenget der det samler seg varmt vann.
Skipsinstallasjoner
Den opprinnelige og viktigste bruken av atomreaktorer er i ubåter. Deres viktigste fordel erat de, i motsetning til forbrenningssystemer for fossilt brensel, ikke krever luft for å generere elektrisitet. Derfor kan en atomubåt forbli nedsenket i lange perioder, mens en konvensjonell dieselelektrisk ubåt med jevne mellomrom må opp til overflaten for å starte sine motorer i luften. Atomkraft gir en strategisk fordel til marinens skip. Det eliminerer behovet for å fylle drivstoff i utenlandske havner eller fra sårbare tankskip.
Prinsippet for drift av en atomreaktor på en ubåt er klassifisert. Imidlertid er det kjent at det i USA bruker høyanriket uran, og nedbremsing og avkjøling gjøres av lett vann. Utformingen av den første reaktoren til atomubåten USS Nautilus var sterkt påvirket av kraftige forskningsanlegg. Dens unike funksjoner er en meget stor reaktivitetsmargin, som sikrer en lang driftsperiode uten påfylling og muligheten til å starte på nytt etter et stopp. Kraftstasjonen i subs må være svært stillegående for å unngå deteksjon. For å møte de spesifikke behovene til forskjellige ubåtklasser, ble det laget forskjellige modeller av kraftverk.
Den amerikanske marinens hangarskip bruker en atomreaktor, hvis prinsipp antas å være lånt fra de største ubåtene. Detaljer om designet deres har heller ikke blitt offentliggjort.
I tillegg til USA har Storbritannia, Frankrike, Russland, Kina og India atomubåter. I hvert tilfelle ble designet ikke avslørt, men det antas at de alle er veldig like - detteer en konsekvens av de samme kravene til deres tekniske egenskaper. Russland har også en liten flåte av atomdrevne isbrytere som har samme reaktorer som sovjetiske ubåter.
Industrielle installasjoner
For produksjon av plutonium-239 av våpenkvalitet brukes en atomreaktor, hvis prinsipp er høy produktivitet med lavt nivå av energiproduksjon. Dette skyldes at et langt opphold av plutonium i kjernen fører til akkumulering av uønskede 240Pu.
Tritium-produksjon
For øyeblikket er hovedmaterialet som produseres av slike systemer tritium (3H eller T), ladningen for hydrogenbomber. Plutonium-239 har en lang halveringstid på 24 100 år, så land med atomvåpenarsenaler som bruker dette elementet har en tendens til å ha mer av det enn de trenger. I motsetning til 239Pu, har tritium en halveringstid på omtrent 12 år. For å opprettholde de nødvendige forsyningene må denne radioaktive isotopen av hydrogen derfor produseres kontinuerlig. I USA har Savannah River, South Carolina, for eksempel flere tungtvannsreaktorer som produserer tritium.
Flytende kraftenheter
Det er laget atomreaktorer som kan gi strøm og dampoppvarming til avsidesliggende isolerte områder. I Russland, for eksempel, har funnet anvendelsesmå kraftverk spesielt designet for å betjene arktiske samfunn. I Kina leverer et 10 MW HTR-10-anlegg varme og kraft til forskningsinstituttet der det er lokalisert. Små kontrollerte reaktorer med tilsvarende kapasitet utvikles i Sverige og Canada. Mellom 1960 og 1972 brukte den amerikanske hæren kompakte vannreaktorer for å drive fjernbaser på Grønland og Antarktis. De er erstattet av oljefyrte kraftverk.
romutforskning
I tillegg er det utviklet reaktorer for strømforsyning og bevegelse i verdensrommet. Mellom 1967 og 1988 installerte Sovjetunionen små atominstallasjoner på Kosmos-satellittene for å drive utstyr og telemetri, men denne politikken ble et mål for kritikk. Minst én av disse satellittene kom inn i jordens atmosfære, noe som resulterte i radioaktiv forurensning av fjerntliggende områder i Canada. USA lanserte bare én atomdrevet satellitt i 1965. Imidlertid fortsetter det å utvikles prosjekter for deres bruk i dype romflyvninger, bemannet utforskning av andre planeter eller på en permanent månebase. Det vil nødvendigvis være en gasskjølt eller flytende metall atomreaktor, hvis fysiske prinsipper vil gi høyest mulig temperatur som er nødvendig for å minimere størrelsen på radiatoren. I tillegg bør en romreaktor være så kompakt som mulig for å minimere mengden materiale som brukes tilskjerming, og for å redusere vekten under oppskyting og romflukt. Drivstoffreserven vil sikre driften av reaktoren for hele perioden av romflukten.
