Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate perustuvat itseään ylläpitävän ydinreaktion käynnistämiseen ja hallintaan. Sitä käytetään tutkimustyökaluna, radioaktiivisten isotooppien tuotantoon ja ydinvoimaloiden voimalähteenä.
Ydinreaktori: miten se toimii (lyhyesti)
Tässä käytetään ydinfissioprosessia, jossa raskas ydin hajoaa kahdeksi pienemmäksi fragmentiksi. Nämä fragmentit ovat erittäin virittyneessä tilassa ja emittoivat neutroneja, muita subatomisia hiukkasia ja fotoneja. Neutronit voivat aiheuttaa uusia fissioita, joiden seurauksena neutroneja vapautuu enemmän ja niin edelleen. Tällaista jatkuvaa itseään ylläpitävää erojen sarjaa kutsutaan ketjureaktioksi. Samalla vapautuu suuri määrä energiaa, jonka tuotanto on ydinvoimaloiden käytön tarkoitus.
Ydinreaktorin ja ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate on sellainen, että noin 85 % fissioenergiasta vapautuu hyvin lyhyessä ajassa reaktion alkamisesta. Loput tuotetaan vuonnafissiotuotteiden radioaktiivisen hajoamisen tulos sen jälkeen, kun ne ovat emittoineet neutroneja. Radioaktiivinen hajoaminen on prosessi, jossa atomi saavuttaa vakaamman tilan. Se jatkuu myös jaon jälkeen.
Atomipommissa ketjureaktio kiihtyy, kunnes suurin osa materiaalista halkeaa. Tämä tapahtuu hyvin nopeasti ja tuottaa tällaisille pommeille ominaisia erittäin voimakkaita räjähdyksiä. Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate perustuvat ketjureaktion ylläpitämiseen kontrolloidulla, lähes vakiotasolla. Se on suunniteltu siten, että se ei voi räjähtää kuin atomipommi.
Ketjureaktio ja kriittisyys
Ydinfissioreaktorin fysiikka on, että ketjureaktion määrää ydinfission todennäköisyys neutronien emission jälkeen. Jos jälkimmäisen populaatio pienenee, fissionopeus putoaa lopulta nollaan. Tässä tapauksessa reaktori on alikriittisessä tilassa. Jos neutronien populaatio pysyy vakiona, fissionopeus pysyy vakaana. Reaktori on kriittisessä tilassa. Ja lopuksi, jos neutronien populaatio kasvaa ajan myötä, fissionopeus ja teho kasvavat. Ytimestä tulee ylikriittinen.
Ydinreaktorin toimintaperiaate on seuraava. Ennen laukaisua neutronipopulaatio on lähellä nollaa. Käyttäjät poistavat sitten säätösauvat ytimestä, mikä lisää ydinfissiota, joka siirtyy väliaikaisestireaktori ylikriittiseen tilaan. Kun nimellisteho on saavutettu, käyttäjät palauttavat säätösauvat osittain ja säätelevät neutronien määrää. Jatkossa reaktori pidetään kriittisessä tilassa. Kun se on pysäytettävä, käyttäjät työntävät tangot kokonaan sisään. Tämä estää fission ja saattaa ytimen alikriittiseen tilaan.
Reaktorityypit
Suurin osa maailman ydinlaitoksista tuottaa energiaa, mikä tuottaa lämpöä, jota tarvitaan sähkögeneraattoreita käyttävien turbiinien kääntämiseen. On myös monia tutkimusreaktoreita, ja joissakin maissa on ydinkäyttöisiä sukellusveneitä tai pinta-aluksia.
voimalaitokset
Tällaisia reaktoreita on useita, mutta kevytvesirakenne on löytänyt laajan sovelluksen. Se voi puolestaan käyttää paineistettua vettä tai kiehuvaa vettä. Ensimmäisessä tapauksessa korkeapaineinen neste kuumennetaan sydämen lämmöllä ja tulee höyrygeneraattoriin. Siellä ensiöpiirin lämpö siirtyy toisiopiiriin, joka sisältää myös vettä. Lopulta syntyvä höyry toimii työnesteenä höyryturbiinikierrossa.
Kiehitystyyppinen reaktori toimii suoran energiakierron periaatteella. Aktiivisen alueen läpi kulkeva vesi kiehuu keskimääräisellä painetasolla. Kyllästynyt höyry kulkee reaktoriastiassa olevien erottimien ja kuivaimien läpi, mikä vie senylikuumentunut tila. Tulistettua vesihöyryä käytetään sitten työnesteenä turbiinin kääntämiseen.
Korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen
High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) on ydinreaktori, jonka toimintaperiaate perustuu grafiitin ja polttoaineen mikropallosten seoksen käyttöön polttoaineena. Kilpailevia malleja on kaksi:
- Saksalainen "täyttöaine"järjestelmä, jossa käytetään halkaisij altaan 60 mm pallomaisia polttokennoja, jotka ovat grafiitin ja polttoaineen seos grafiittikuoressa;
- Amerikkalainen versio grafiittisen kuusikulmaisen prisman muodossa, jotka lukittuvat yhteen muodostaen aktiivisen alueen.
Molemmissa tapauksissa jäähdytysneste koostuu heliumista, jonka paine on noin 100 ilmakehää. Saksalaisessa järjestelmässä helium kulkee pallomaisten polttoaine-elementtien kerroksen rakojen läpi ja amerikkalaisessa järjestelmässä reaktorin keskivyöhykkeen akselilla sijaitsevien grafiittiprismien reikien läpi. Molemmat vaihtoehdot voivat toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa, koska grafiitilla on erittäin korkea sublimaatiolämpötila, kun taas helium on täysin kemiallisesti inerttiä. Kuumaa heliumia voidaan käyttää suoraan käyttönesteenä kaasuturbiinissa korkeassa lämpötilassa, tai sen lämpöä voidaan käyttää vesikiertoisen höyryn tuottamiseen.
Nestemetalliydinreaktori: rakenne ja toimintaperiaate
Nopeat neutronireaktorit natriumjäähdytyksellä saivat paljon huomiota 1960- ja 1970-luvuilla. SittenNäytti siltä, että heidän kykynsä tuottaa ydinpolttoainetta lähitulevaisuudessa oli välttämätöntä nopeasti kehittyvän ydinteollisuuden polttoaineen tuotannossa. Kun 1980-luvulla kävi selväksi, että tämä odotus oli epärealistinen, innostus hiipui. Useita tämäntyyppisiä reaktoreita on kuitenkin rakennettu Yhdysv altoihin, Venäjälle, Ranskaan, Isoon-Britanniaan, Japaniin ja Saksaan. Suurin osa niistä toimii uraanidioksidilla tai sen seoksella plutoniumdioksidin kanssa. Yhdysvalloissa suurin menestys on kuitenkin ollut metallipolttoaineilla.
CANDU
Kanada on keskittynyt luonnonuraania käyttäviin reaktoreihin. Tämä eliminoi sen rikastamisen tarpeen turvautua muiden maiden palveluihin. Tämän politiikan tuloksena syntyi deuterium-uraanireaktori (CANDU). Ohjaus ja jäähdytys siinä suoritetaan raskaalla vedellä. Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate on käyttää säiliötä, jossa on kylmä D2O ilmakehän paineessa. Ytimen lävistävät putket, jotka on valmistettu zirkoniumseoksesta ja luonnonuraanipolttoaineesta, joiden läpi raskas vesi jäähdyttää sitä. Sähköä tuotetaan siirtämällä halkeamislämpö raskaassa vedessä jäähdytysnesteeseen, joka kierrätetään höyrystimen läpi. Toisiopiirissä oleva höyry kulkee sitten normaalin turbiinikierron läpi.
Tutkimusasennukset
Tieteelliseen tutkimukseen käytetään useimmiten ydinreaktoria, jonka periaatteena on käyttää vesijäähdytystä jalamellaariset uraanipolttoaine-elementit kokoonpanojen muodossa. Pystyy toimimaan useilla tehotasoilla muutamasta kilowatista satoihin megawatteihin. Koska sähköntuotanto ei ole tutkimusreaktorien päätehtävä, niille on tunnusomaista ytimessä syntyneiden neutronien lämpöenergia, tiheys ja nimellisenergia. Nämä parametrit auttavat määrittämään tutkimusreaktorin kyvyn suorittaa erityisiä tutkimuksia. Pienitehoisia järjestelmiä käytetään tyypillisesti yliopistoissa opetustarkoituksiin, kun taas suuritehoisia järjestelmiä tarvitaan T&K-laboratorioissa materiaalien ja suorituskyvyn testaamiseen sekä yleiseen tutkimukseen.
Yleisin tutkimusydinreaktori, jonka rakenne ja toimintaperiaate ovat seuraavat. Sen aktiivinen vyöhyke sijaitsee suuren syvän vesi altaan pohjalla. Tämä yksinkertaistaa niiden kanavien havainnointia ja sijoittamista, joiden kautta neutronisäteet voidaan ohjata. Pienellä tehotasolla jäähdytysnestettä ei tarvitse ilmaa, koska jäähdytysnesteen luonnollinen konvektio tarjoaa riittävän lämmön haihdutuksen turvallisen käyttötilan ylläpitämiseksi. Lämmönvaihdin sijaitsee yleensä altaan pinnalla tai yläosassa, johon kuumaa vettä kertyy.
Laivaasennukset
Ydinreaktorien alkuperäinen ja pääasiallinen käyttötarkoitus on sukellusveneissä. Niiden tärkein etu onettä toisin kuin fossiilisten polttoaineiden polttojärjestelmät, ne eivät vaadi ilmaa sähkön tuottamiseen. Siksi ydinsukellusvene voi pysyä veden alla pitkiä aikoja, kun taas tavanomaisen diesel-sähköisen sukellusveneen täytyy ajoittain nousta pintaan käynnistääkseen moottorinsa ilmassa. Ydinvoima antaa strategisen edun laivaston aluksille. Se eliminoi tarpeen tankata ulkomaisissa satamissa tai haavoittuvilta säiliöaluksilta.
Sukellusveneen ydinreaktorin toimintaperiaate on luokiteltu. Sen tiedetään kuitenkin käyttävän Yhdysvalloissa korkeasti rikastettua uraania, ja hidastus ja jäähdytys tapahtuu kevyellä vedellä. Ydinsukellusvene USS Nautilusin ensimmäisen reaktorin suunnitteluun vaikuttivat voimakkaasti voimakkaat tutkimuslaitokset. Sen ainutlaatuisia ominaisuuksia ovat erittäin suuri reaktiivisuusmarginaali, joka varmistaa pitkän käyttöajan ilman tankkausta ja kyvyn käynnistyä uudelleen pysähdyksen jälkeen. Sukellusaluksen voimalaitoksen on oltava erittäin hiljainen havaitsemisen välttämiseksi. Eri sukellusveneluokkien erityistarpeiden täyttämiseksi luotiin erilaisia voimalaitoksimalleja.
Yhdysv altain laivaston lentotukialukset käyttävät ydinreaktoria, jonka periaatteen uskotaan olevan lainattu suurimmilta sukellusveneiltä. Niiden suunnittelun yksityiskohtia ei myöskään ole julkaistu.
Yksinsukellusveneitä on Yhdysv altojen lisäksi Isossa-Britanniassa, Ranskassa, Venäjällä, Kiinassa ja Intiassa. Kussakin tapauksessa mallia ei julkistettu, mutta uskotaan, että ne ovat kaikki hyvin samanlaisia - tämäon seurausta samoista niiden teknisille ominaisuuksille asetetuista vaatimuksista. Venäjällä on myös pieni laivasto ydinkäyttöisiä jäänmurtajia, joissa on samat reaktorit kuin Neuvostoliiton sukellusveneissä.
Teollisuusasennukset
Aselaatuisen plutonium-239:n valmistukseen käytetään ydinreaktoria, jonka periaate on korkea tuottavuus ja alhainen energiantuotanto. Tämä johtuu siitä, että plutoniumin pitkä oleskelu ytimessä johtaa ei-toivotun 240Pu.
Tritiumin tuotanto
Tällaisten järjestelmien pääasiallinen materiaali on tällä hetkellä tritium (3H tai T), vetypommien panos. Plutonium-239:n puoliintumisaika on pitkä, 24 100 vuotta, joten maat, joilla on ydinasearsenaalit, jotka käyttävät tätä alkuainetta, sisältävät sitä yleensä enemmän kuin ne tarvitsevat. Toisin kuin 239Pu, tritiumin puoliintumisaika on noin 12 vuotta. Näin ollen tätä vedyn radioaktiivista isotooppia on tuotettava jatkuvasti, jotta tarvittavat resurssit säilyvät. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Savannah Riverissä Etelä-Carolinassa on useita raskasvesireaktoreita, jotka tuottavat tritiumia.
Kelluvat voimayksiköt
Ydinreaktoreita on luotu, jotka voivat tuottaa sähköä ja höyryä syrjäisille syrjäisille alueille. Esimerkiksi Venäjällä ovat löytäneet sovellustaPienet voimalaitokset, jotka on erityisesti suunniteltu palvelemaan arktisia yhteisöjä. Kiinassa 10 MW:n HTR-10-laitos toimittaa lämpöä ja sähköä tutkimuslaitokselle, jossa se sijaitsee. Ruotsissa ja Kanadassa kehitetään pieniä ohjattuja reaktoreita, joilla on vastaava kapasiteetti. Vuosina 1960-1972 Yhdysv altain armeija käytti pienikokoisia vesireaktoreita syrjäisten tukikohtien virranlähteenä Grönlannissa ja Etelämantereella. Ne on korvattu öljyvoimaloilla.
Avaruustutkimus
Lisäksi reaktoreita on kehitetty tehonsyöttöön ja liikkumiseen ulkoavaruudessa. Vuosina 1967-1988 Neuvostoliitto asensi Kosmos-satelliitteihin pieniä ydinlaitoksia laitteiden ja telemetrian tehostamiseksi, mutta tästä politiikasta tuli kritiikin kohde. Ainakin yksi näistä satelliiteista pääsi maan ilmakehään, mikä johti Kanadan syrjäisten alueiden radioaktiiviseen saastumiseen. Yhdysvallat laukaisi vain yhden ydinvoimalla toimivan satelliitin vuonna 1965. Niiden käyttöä syväavaruuslennoilla, muiden planeettojen miehitetyissä tutkimuksissa tai pysyvässä kuun tukikohdassa kehitetään kuitenkin edelleen. Se on välttämättä kaasujäähdytteinen tai nestemetallinen ydinreaktori, jonka fysikaaliset periaatteet tarjoavat korkeimman mahdollisen lämpötilan, joka tarvitaan patterin koon minimoimiseksi. Lisäksi avaruusreaktorin tulee olla mahdollisimman kompakti, jotta minimoidaan käytettävän materiaalin määräsuojaukseen ja painon vähentämiseen laukaisun ja avaruuslennon aikana. Polttoainereservi varmistaa reaktorin toiminnan koko avaruuslennon ajan.
