Ядролық реактордың құрылғысы мен жұмыс принципі өздігінен жүретін ядролық реакцияны инициализациялауға және басқаруға негізделген. Ол зерттеу құралы ретінде, радиоактивті изотоптарды алу үшін және атом электр станциялары үшін қуат көзі ретінде пайдаланылады.
Ядролық реактор: ол қалай жұмыс істейді (қысқаша)
Мұнда ауыр ядро екі кішірек фрагментке ыдырайтын ядролық бөліну процесі қолданылады. Бұл фрагменттер жоғары қоздырылған күйде және нейтрондарды, басқа субатомдық бөлшектер мен фотондарды шығарады. Нейтрондар жаңа бөлінулерді тудыруы мүмкін, нәтижесінде нейтрондар көбірек бөлінеді және т.б. Мұндай үзіліссіз өздігінен жүретін бөліну қатары тізбекті реакция деп аталады. Бұл ретте энергияның көп мөлшері бөлінеді, оны өндіру атом электр станцияларын пайдалану мақсаты болып табылады.
Ядролық реактор мен атом электр станциясының жұмыс істеу принципі реакция басталғаннан кейін өте қысқа уақыт ішінде бөліну энергиясының шамамен 85% бөлінетіндей. Қалғаны өндірілгенбөліну өнімдерінің нейтрондар шығарғаннан кейін радиоактивті ыдырауының нәтижесі. Радиоактивті ыдырау - атомның тұрақтырақ күйге жету процесі. Ол бөлу аяқталғаннан кейін де жалғасады.
Атом бомбасында материалдың көп бөлігі бөлінгенше тізбекті реакция қарқындылығы артады. Бұл өте тез жүреді, мұндай бомбаларға тән өте күшті жарылыстарды тудырады. Ядролық реактордың құрылғысы мен жұмыс істеу принципі тізбекті реакцияны басқарылатын, тұрақты дерлік деңгейде ұстауға негізделген. Ол атом бомбасы сияқты жарылмайтындай етіп жасалған.
Тізбекті реакция және критикалық
Ядролық бөліну реакторының физикасы тізбекті реакция нейтрондар шығарылғаннан кейін ядроның бөліну ықтималдығымен анықталады. Егер соңғысының популяциясы азайса, онда бөліну жылдамдығы ақырында нөлге дейін төмендейді. Бұл жағдайда реактор субкритикалық күйде болады. Егер нейтрондардың популяциясы тұрақты деңгейде сақталса, онда бөліну жылдамдығы тұрақты болады. Реактор ауыр жағдайда болады. Ақырында, егер нейтрондардың популяциясы уақыт өте келе өссе, бөліну жылдамдығы мен қуаты артады. Өзегі өте критикалық болады.
Ядролық реактордың жұмыс істеу принципі келесідей. Ол ұшырылғанға дейін нейтрондардың популяциясы нөлге жақын. Операторлар ядродан басқару шыбықтарын алып тастап, ядролық бөлінуді арттырады, бұл уақытша аударылады.реактор суперкритикалық күйге. Номиналды қуатқа жеткеннен кейін операторлар нейтрондардың санын реттей отырып, басқару шыбықтарын ішінара қайтарады. Болашақта реактор сыни жағдайда ұсталады. Оны тоқтату қажет болғанда, операторлар өзектерді толығымен енгізеді. Бұл бөлінуді басады және ядроны критикалық емес күйге әкеледі.
Реакторлардың түрлері
Әлемдегі ядролық қондырғылардың көпшілігі энергия өндіруші болып табылады, олар электр қуаты генераторларын басқаратын турбиналарды айналдыруға қажетті жылуды шығарады. Сондай-ақ көптеген зерттеу реакторлары бар және кейбір елдерде атомдық суасты қайықтары немесе жер үсті кемелері бар.
Электр станциялары
Осы типтегі реакторлардың бірнеше түрі бар, бірақ жеңіл су дизайны кең қолдануды тапты. Өз кезегінде ол қысымды суды немесе қайнаған суды пайдалана алады. Бірінші жағдайда жоғары қысымдағы сұйықтық ядроның жылуымен қызады және бу генераторына түседі. Онда бастапқы контурдан жылу екінші реттікке беріледі, оның құрамында да су бар. Соңында пайда болған бу бу турбинасы циклінде жұмыс сұйықтығы ретінде қызмет етеді.
Қайнау типті реактор тікелей энергия айналымы принципі бойынша жұмыс істейді. Белсенді аймақ арқылы өтетін су орташа қысым деңгейінде қайнатылады. Қаныққан бу реактор ыдысында орналасқан сепараторлар мен кептіргіштер тізбегі арқылы өтеді, бұл оныаса қызған күй. Қатты қыздырылған су буы турбинаны айналдыру үшін жұмыс сұйықтығы ретінде пайдаланылады.
Жоғары температуралы газ салқындатылған
Жоғары температуралы газбен салқындатылған реактор (HTGR) – жұмыс принципі отын ретінде графит пен отын микросфераларының қоспасын пайдалануға негізделген ядролық реактор. Екі бәсекелес дизайн бар:
- Графит қабықшасындағы графит пен отын қоспасы болып табылатын диаметрі 60 мм сфералық отын элементтерін пайдаланатын неміс «толтырғыш» жүйесі;
- Белсенді аймақ құру үшін бір-бірімен түйісетін графит алтыбұрышты призмалар түріндегі американдық нұсқасы.
Екі жағдайда да салқындатқыш шамамен 100 атмосфера қысымындағы гелийден тұрады. Неміс жүйесінде гелий сфералық отын элементтері қабатындағы саңылаулардан, ал американдық жүйеде реактордың орталық аймағының осінің бойында орналасқан графиттік призмалардағы тесіктер арқылы өтеді. Екі нұсқа да өте жоғары температурада жұмыс істей алады, өйткені графит өте жоғары сублимация температурасына ие, ал гелий толығымен химиялық инертті. Ыстық гелийді жоғары температурада газ турбинасында жұмыс сұйықтығы ретінде тікелей қолдануға болады немесе оның жылуын су айналымының буын алу үшін пайдалануға болады.
Сұйық металды ядролық реактор: схемасы және жұмыс принципі
Натрий салқындатқышы бар жылдам нейтронды реакторлар 1960 және 1970 жылдары көп көңіл бөлді. Содан кейінолардың жақын болашақта ядролық отынды қайта өндіру қабілеті қарқынды дамып келе жатқан атом өнеркәсібі үшін отын өндіру үшін қажет болып көрінді. 1980 жылдары бұл күтудің шындыққа жанаспайтыны белгілі болған кезде, ынта сейілді. Алайда мұндай типтегі бірқатар реакторлар АҚШ, Ресей, Франция, Ұлыбритания, Жапония және Германияда салынған. Олардың көпшілігі уран диоксидімен немесе оның плутоний диоксидімен қоспасымен жұмыс істейді. Алайда Құрама Штаттарда ең үлкен табыс металл отындары болды.
CANDU
Канада өз күш-жігерін табиғи уран пайдаланатын реакторларға бағыттады. Бұл басқа елдердің қызметтеріне жүгіну үшін оны байыту қажеттілігін жояды. Бұл саясаттың нәтижесі дейтерий-уран реакторы (CANDU) болды. Ондағы бақылау және салқындату ауыр сумен жүзеге асырылады. Ядролық реактордың құрылғысы мен жұмыс істеу принципі атмосфералық қысымда суық D2O бар резервуарды пайдалану болып табылады. Өзекті табиғи уран отыны бар цирконий қорытпасынан жасалған құбырлар теседі, ол арқылы ауыр су оны салқындатады. Электр энергиясы ауыр судағы бөліну жылуын бу генераторы арқылы айналатын салқындатқышқа беру арқылы өндіріледі. Одан кейін қайталама контурдағы бу қалыпты турбиналық цикл арқылы өтеді.
Зерттеу қондырғылары
Ғылыми зерттеулер үшін көбінесе ядролық реактор қолданылады, оның принципі суды салқындату және пайдалану болып табылады.жинақтар түріндегі ламельді уран отын элементтері. Бірнеше киловатттан жүздеген мегаваттқа дейінгі қуат деңгейлерінің кең ауқымында жұмыс істеуге қабілетті. Энергия өндіру ғылыми-зерттеу реакторларының негізгі міндеті болмағандықтан, олар түзілетін жылу энергиясымен, ядродағы нейтрондардың тығыздығымен және номиналды энергиясымен сипатталады. Дәл осы параметрлер зерттеу реакторының нақты зерттеулер жүргізу мүмкіндігін сандық бағалауға көмектеседі. Төмен қуатты жүйелер әдетте университеттерде оқу мақсаттарында пайдаланылады, ал жоғары қуатты жүйелер ҒЗТКЖ зертханаларында материал мен өнімділікті тексеру және жалпы зерттеулер үшін қажет.
Ең кең тараған зерттеу ядролық реакторы, құрылымы мен жұмыс істеу принципі төмендегідей. Оның белсенді аймағы үлкен терең су бассейнінің түбінде орналасқан. Бұл нейтрондық сәулелерді бағыттауға болатын арналарды бақылауды және орналастыруды жеңілдетеді. Төмен қуат деңгейлерінде салқындатқышты ағызудың қажеті жоқ, өйткені салқындатқыштың табиғи конвекциясы қауіпсіз жұмыс жағдайын сақтау үшін жеткілікті жылу диссипациясын қамтамасыз етеді. Жылу алмастырғыш әдетте ыстық су жиналатын бассейннің бетінде немесе жоғарғы жағында орналасады.
Кеме қондырғылары
Ядролық реакторлардың бастапқы және негізгі қолданылуы суасты қайықтарында. Олардың басты артықшылығыбұл, қазба отын жағу жүйелерінен айырмашылығы, олар электр энергиясын өндіру үшін ауаны қажет етпейді. Сондықтан атомдық сүңгуір қайық ұзақ уақыт су астында қалуы мүмкін, ал кәдімгі дизельді-электрлік сүңгуір қайық ауада қозғалтқыштарын іске қосу үшін мезгіл-мезгіл су бетіне көтерілуі керек. Ядролық энергетика Әскери-теңіз күштерінің кемелеріне стратегиялық артықшылық береді. Ол шетелдік порттарда немесе осал танкерлерден жанармай құю қажеттілігін жояды.
Сүңгуір қайықтағы ядролық реактордың жұмыс істеу принципі жіктеледі. Алайда АҚШ-та жоғары байытылған уранды пайдаланатыны белгілі, ал баяулату және салқындату жеңіл сумен жүзеге асырылады. USS Nautilus атом сүңгуір қайықтарының бірінші реакторының дизайнына қуатты ғылыми-зерттеу қондырғылары қатты әсер етті. Оның бірегей ерекшеліктері - өте үлкен реактивтілік маржасы, ол жанармай құюсыз ұзақ уақыт жұмыс істеуді және тоқтағаннан кейін қайта іске қосу мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Су астындағы электр станциясы анықталмас үшін өте тыныш болуы керек. Әртүрлі сыныптағы суасты қайықтарының ерекше қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін электр станцияларының әртүрлі үлгілері жасалды.
АҚШ Әскери-теңіз күштерінің ұшақ тасығыштары ядролық реакторды пайдаланады, оның принципі ең ірі суасты қайықтарынан алынған деп есептеледі. Олардың дизайны туралы мәліметтер де жарияланған жоқ.
АҚШ-тан басқа Ұлыбритания, Франция, Ресей, Қытай және Үндістанның ядролық суасты қайықтары бар. Әрбір жағдайда дизайн ашылмаған, бірақ олардың барлығы өте ұқсас деп саналады - бұлолардың техникалық сипаттамаларына бірдей талаптардың салдары болып табылады. Сондай-ақ Ресейде кеңестік сүңгуір қайықтар сияқты реакторлары бар атомдық мұзжарғыштардың шағын флоты бар.
Өнеркәсіптік қондырғылар
Плутоний-239 қаруын өндіру үшін ядролық реактор қолданылады, оның принципі энергия өндірудің төмен деңгейімен жоғары өнімділік болып табылады. Бұл плутонийдің ядрода ұзақ тұруы қажетсіз 240Pu жиналуына әкеледі.
Тритий өндірісі
Қазіргі уақытта мұндай жүйелер өндіретін негізгі материал тритий (3H немесе T), сутегі бомбаларының заряды. Плутоний-239 ұзақ жартылай ыдырау мерзімі 24100 жыл, сондықтан осы элементті қолданатын ядролық қару арсеналдары бар елдерде оның қажетті мөлшерінен көбірек болады. 239Pu айырмашылығы, тритийдің жартылай шығарылу кезеңі шамамен 12 жыл. Осылайша, қажетті қорларды сақтау үшін сутегінің осы радиоактивті изотопы үздіксіз өндірілуі керек. Мысалы, АҚШ-та, Саванна Риверінде, Оңтүстік Каролинада тритий өндіретін бірнеше ауыр су реакторлары бар.
Қалқымалы қуат блоктары
Алыстағы оқшауланған аудандарды электрмен және бумен жылытумен қамтамасыз ете алатын ядролық реакторлар жасалды. Ресейде, мысалы, қолдануды таптыАрктикалық қауымдастықтарға қызмет көрсету үшін арнайы жасалған шағын электр станциялары. Қытайда қуаттылығы 10 МВт ХТР-10 станциясы өзі орналасқан ғылыми-зерттеу институтын жылу мен қуатпен қамтамасыз етеді. Швеция мен Канадада осындай мүмкіндіктері бар басқарылатын шағын реакторлар жасалуда. 1960-1972 жылдар аралығында АҚШ армиясы Гренландия мен Антарктидадағы қашықтағы базаларды қуаттандыру үшін ықшам су реакторларын пайдаланды. Олардың орнын мұнаймен жұмыс істейтін электр станциялары басты.
Ғарышты зерттеу
Сонымен қатар, энергиямен қамтамасыз ету және ғарышта қозғалыс үшін реакторлар әзірленді. 1967-1988 жылдар аралығында Кеңес Одағы Космос спутниктеріне жабдық пен телеметрияны қуаттандыру үшін шағын ядролық қондырғылар орнатты, бірақ бұл саясат сынның нысанасына айналды. Осы жерсеріктердің кем дегенде біреуі Жер атмосферасына еніп, Канаданың шалғай аудандарының радиоактивті ластануына әкелді. Америка Құрама Штаттары 1965 жылы бір ғана ядролық спутникті ұшырды. Дегенмен, оларды терең ғарыштық ұшуларда, басқа планеталарды адам басқаратын зерттеуде немесе тұрақты ай базасында пайдалану жобалары әлі де әзірленуде. Бұл міндетті түрде газбен салқындатылатын немесе сұйық металды ядролық реактор болады, оның физикалық принциптері радиатордың өлшемін азайту үшін қажетті ең жоғары температураны қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, ғарыш реакторы пайдаланылатын материалдың мөлшерін азайту үшін мүмкіндігінше ықшам болуы керекэкрандау және ұшыру және ғарышқа ұшу кезінде салмақты азайту. Жанармай қоры ғарышқа ұшудың бүкіл кезеңі ішінде реактордың жұмысын қамтамасыз етеді.
