Nüvə reaktorunun cihazı və iş prinsipi öz-özünə davam edən nüvə reaksiyasının işə salınmasına və idarə olunmasına əsaslanır. O, tədqiqat vasitəsi kimi, radioaktiv izotopların istehsalı üçün və nüvə elektrik stansiyaları üçün enerji mənbəyi kimi istifadə olunur.
Nüvə reaktoru: necə işləyir (qısaca)
Burada ağır nüvənin iki kiçik hissəyə parçalandığı nüvə parçalanması prosesindən istifadə edilir. Bu fraqmentlər yüksək həyəcanlı vəziyyətdədir və neytronları, digər atom altı hissəcikləri və fotonları buraxır. Neytronlar yeni parçalanmalara səbəb ola bilər, nəticədə daha çox neytron buraxılır və s. Belə davamlı öz-özünə davam edən parçalanma seriyasına zəncirvari reaksiya deyilir. Eyni zamanda, istehsalı atom elektrik stansiyalarından istifadə məqsədi daşıyan böyük miqdarda enerji ayrılır.
Nüvə reaktorunun və atom elektrik stansiyasının işləmə prinsipi elədir ki, reaksiya başlayandan sonra çox qısa müddət ərzində parçalanma enerjisinin təxminən 85%-i ayrılır. Qalanları istehsal olunurparçalanma məhsullarının neytronları buraxdıqdan sonra radioaktiv parçalanmasının nəticəsi. Radioaktiv parçalanma bir atomun daha sabit vəziyyətə gəlməsi prosesidir. Bölmə tamamlandıqdan sonra belə davam edir.
Atom bombasında zəncirvari reaksiya materialın böyük hissəsi parçalanana qədər intensivliyi artır. Bu, çox tez baş verir və belə bombalara xas olan son dərəcə güclü partlayışlar yaradır. Nüvə reaktorunun cihazı və iş prinsipi zəncirvari reaksiyanın idarə olunan, demək olar ki, sabit səviyyədə saxlanmasına əsaslanır. O, elə qurulub ki, atom bombası kimi partlaya bilməyəcək.
Zəncirvari reaksiya və kritiklik
Nüvə parçalanma reaktorunun fizikası ondan ibarətdir ki, zəncirvari reaksiya neytronların emissiyasından sonra nüvənin parçalanma ehtimalı ilə müəyyən edilir. Əgər sonuncunun populyasiyası azalarsa, onda parçalanma dərəcəsi sonda sıfıra düşəcəkdir. Bu halda reaktor subkritik vəziyyətdə olacaq. Neytronların populyasiyası sabit səviyyədə saxlanılarsa, parçalanma sürəti sabit qalacaq. Reaktor kritik vəziyyətdə olacaq. Və nəhayət, zaman keçdikcə neytronların populyasiyası artarsa, parçalanma sürəti və gücü artacaq. Nüvə superkritik olacaq.
Nüvə reaktorunun iş prinsipi aşağıdakı kimidir. Buraxılışdan əvvəl neytron populyasiyası sıfıra yaxındır. Daha sonra operatorlar nəzarət çubuqlarını nüvədən çıxararaq nüvə parçalanmasını artırır, bu da müvəqqəti olaraq tərcümə olunur.reaktor superkritik vəziyyətə. Nominal gücə çatdıqdan sonra operatorlar neytronların sayını tənzimləyərək nəzarət çubuqlarını qismən qaytarırlar. Gələcəkdə reaktor kritik vəziyyətdə saxlanılır. Onu dayandırmaq lazım olduqda, operatorlar çubuqları tamamilə daxil edirlər. Bu, parçalanmağı yatırır və nüvəni kritik altı vəziyyətə gətirir.
Reaktorların növləri
Dünyadakı nüvə qurğularının əksəriyyəti elektrik enerjisi generatorlarını idarə edən turbinləri döndərmək üçün lazım olan istiliyi yaradan enerjidir. Həmçinin çoxlu tədqiqat reaktorları var və bəzi ölkələrdə nüvə enerjisi ilə işləyən su altı qayıqlar və ya yerüstü gəmilər var.
Elektrik stansiyaları
Bu tip reaktorların bir neçə növü var, lakin yüngül su dizaynı geniş tətbiq tapıb. Öz növbəsində təzyiqli su və ya qaynar su istifadə edə bilər. Birinci halda, yüksək təzyiq altında olan maye nüvənin istiliyi ilə qızdırılır və buxar generatoruna daxil olur. Orada birincil dövrədən gələn istilik ikinciliyə ötürülür, bu da su ehtiva edir. Nəticədə yaranan buxar buxar turbin dövrəsində işçi maye kimi xidmət edir.
Qaynayan tipli reaktor birbaşa enerji dövrü prinsipi əsasında işləyir. Aktiv zonadan keçən su, orta təzyiq səviyyəsində bir qaynağa gətirilir. Doymuş buxar reaktor qabında yerləşən bir sıra separator və quruduculardan keçir və bu, onuhəddindən artıq qızdırılan vəziyyət. Həddindən artıq qızdırılan su buxarı daha sonra turbin çevirmək üçün işçi maye kimi istifadə olunur.
Yüksək Temperaturlu Qaz Soyudulmuş
Yüksək Temperaturlu Qaz Soyudulmuş Reaktor (HTGR) nüvə reaktorudur və onun iş prinsipi yanacaq kimi qrafit və yanacaq mikrosferlərinin qarışığından istifadəyə əsaslanır. İki rəqib dizayn var:
- Qrafit qabığında qrafit və yanacağın qarışığı olan 60 mm diametrli sferik yanacaq hüceyrələrindən istifadə edən alman "doldurucu" sistemi;
- Aktiv zona yaratmaq üçün birləşən qrafit altıbucaqlı prizmalar şəklində Amerika versiyası.
Hər iki halda, soyuducu təxminən 100 atmosfer təzyiqdə heliumdan ibarətdir. Alman sistemində helium sferik yanacaq elementlərinin təbəqəsindəki boşluqlardan, Amerika sistemində isə reaktorun mərkəzi zonasının oxu boyunca yerləşən qrafit prizmaların dəliklərindən keçir. Hər iki variant çox yüksək temperaturda işləyə bilər, çünki qrafit son dərəcə yüksək sublimasiya temperaturuna malikdir, helium isə tamamilə kimyəvi cəhətdən təsirsizdir. İsti helium yüksək temperaturda qaz turbinində işləyən maye kimi birbaşa tətbiq oluna bilər və ya onun istiliyindən su dövriyyəsi buxarını yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.
Maye metal nüvə reaktoru: sxem və iş prinsipi
Natrium soyuducusu olan sürətli neytron reaktorları 1960-1970-ci illərdə çox diqqət çəkdi. Sonrabelə görünürdü ki, onların yaxın gələcəkdə nüvə yanacağını təkrar istehsal etmək qabiliyyəti sürətlə inkişaf edən nüvə sənayesi üçün yanacaq istehsalı üçün zəruridir. 1980-ci illərdə bu gözləntinin qeyri-real olduğu aydınlaşdıqda, həvəs söndü. Lakin bu tipli bir sıra reaktorlar ABŞ, Rusiya, Fransa, Böyük Britaniya, Yaponiya və Almaniyada tikilib. Onların əksəriyyəti uran dioksidi və ya plutonium dioksidi ilə qarışığı ilə işləyir. ABŞ-da isə ən böyük uğur metal yanacaqlar olub.
CANDU
Kanada səylərini təbii urandan istifadə edən reaktorlara yönəldib. Bu, digər ölkələrin xidmətlərinə müraciət etmək üçün onun zənginləşdirilməsi ehtiyacını aradan qaldırır. Bu siyasətin nəticəsi deyterium-uran reaktoru (CANDU) oldu. Orada nəzarət və soyutma ağır su ilə həyata keçirilir. Nüvə reaktorunun cihazı və iş prinsipi atmosfer təzyiqində soyuq D2O olan bir tankdan istifadə etməkdir. Nüvə təbii uran yanacağı ilə sirkonium ərintisindən hazırlanmış borularla deşilir və bu borular vasitəsilə ağır su onu soyuyur. Elektrik enerjisi, ağır suda parçalanma istiliyinin buxar generatoru vasitəsilə dövriyyədə olan soyuducuya ötürülməsi yolu ilə istehsal olunur. İkinci dövrədəki buxar daha sonra normal turbin dövründən keçir.
Araşdırma qurğuları
Elmi tədqiqatlar üçün ən çox nüvə reaktorundan istifadə olunur, onun prinsipi suyun soyudulması vəməclislər şəklində lamelli uran yanacaq elementləri. Bir neçə kilovatdan yüzlərlə meqavata qədər geniş güc səviyyələrində işləmə qabiliyyətinə malikdir. Enerji istehsalı tədqiqat reaktorlarının əsas vəzifəsi olmadığı üçün onlar nüvədəki neytronların yaranan istilik enerjisi, sıxlığı və nominal enerjisi ilə xarakterizə olunur. Məhz bu parametrlər tədqiqat reaktorunun xüsusi tədqiqatlar aparmaq qabiliyyətini ölçməyə kömək edir. Aşağı güc sistemləri adətən universitetlərdə tədris məqsədləri üçün istifadə olunur, yüksək güc sistemləri isə material və performans testləri və ümumi tədqiqatlar üçün R&D laboratoriyalarında tələb olunur.
Ən ümumi tədqiqat nüvə reaktoru, strukturu və iş prinsipi aşağıdakı kimidir. Onun aktiv zonası böyük bir dərin su hovuzunun dibində yerləşir. Bu, neytron şüalarının istiqamətləndirilə biləcəyi kanalların müşahidəsini və yerləşdirilməsini asanlaşdırır. Aşağı güc səviyyələrində, soyuducu suyun boşaldılmasına ehtiyac yoxdur, çünki soyuducu suyun təbii konveksiyası təhlükəsiz iş şəraitini qorumaq üçün kifayət qədər istilik yayılmasını təmin edir. İstilik dəyişdiricisi adətən hovuzun səthində və ya yuxarı hissəsində isti suyun yığıldığı yerdə yerləşir.
Gəmi qurğuları
Nüvə reaktorlarının ilkin və əsas istifadəsi su altı qayıqlardadır. Onların əsas üstünlüyüki, qalıq yanacaq yanma sistemlərindən fərqli olaraq, elektrik enerjisi yaratmaq üçün hava tələb etmir. Buna görə də, nüvə su altı qayığı uzun müddət su altında qala bilər, adi dizel-elektrik su altı qayığı isə mühərriklərini havada işə salmaq üçün vaxtaşırı səthə qalxmalıdır. Nüvə enerjisi Hərbi Dəniz Qüvvələrinin gəmilərinə strateji üstünlük verir. Bu, xarici limanlarda və ya həssas tankerlərdən yanacaq doldurma ehtiyacını aradan qaldırır.
Su altı qayıqda nüvə reaktorunun işləmə prinsipi təsnif edilir. Lakin məlumdur ki, ABŞ-da yüksək zənginləşdirilmiş urandan istifadə edir və yavaşlama və soyutma yüngül su ilə həyata keçirilir. USS Nautilus nüvə su altı qayığının ilk reaktorunun dizaynına güclü tədqiqat qurğuları güclü təsir göstərmişdir. Onun unikal xüsusiyyətləri yanacaq doldurmadan uzun müddət işləməyi və dayandıqdan sonra yenidən işə salma qabiliyyətini təmin edən çox böyük reaktivlik marjasıdır. Su altı su altı elektrik stansiyası aşkarlanmamaq üçün çox sakit olmalıdır. Müxtəlif sinif su altı qayıqların xüsusi ehtiyaclarını ödəmək üçün müxtəlif elektrik stansiyaları modelləri yaradılmışdır.
ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələrinin təyyarədaşıyıcıları nüvə reaktorundan istifadə edir, onun prinsipinin ən böyük su altı qayıqlardan götürüldüyü güman edilir. Onların dizaynının təfərrüatları da açıqlanmayıb.
ABŞ-dan başqa, Böyük Britaniya, Fransa, Rusiya, Çin və Hindistanda nüvə su altı qayıqları var. Hər bir halda dizayn açıqlanmadı, lakin onların hamısının çox oxşar olduğuna inanılır - buonların texniki xüsusiyyətlərinə olan eyni tələblərin nəticəsidir. Rusiyanın, həmçinin Sovet su altı qayıqları ilə eyni reaktorlara malik kiçik nüvə enerjisi ilə işləyən buzqıran gəmilər parkı var.
Sənaye qurğuları
Silah dərəcəli plutonium-239 istehsalı üçün nüvə reaktorundan istifadə olunur, onun prinsipi aşağı səviyyədə enerji istehsalı ilə yüksək məhsuldarlıqdır. Bunun səbəbi plutoniumun nüvədə uzun müddət qalmasının arzuolunmaz 240Pu yığılmasına gətirib çıxarmasıdır.
Tritium istehsalı
Hazırda belə sistemlər tərəfindən istehsal olunan əsas material tritiumdur (3H və ya T), hidrogen bombalarının yükü. Plutonium-239-un uzun yarım ömrü 24,100 ildir, buna görə də bu elementdən istifadə edən nüvə silahı arsenalına malik olan ölkələr ehtiyaclarından daha çox ona sahib olurlar. 239Pu-dan fərqli olaraq, tritiumun yarı ömrü təxminən 12 ildir. Beləliklə, lazımi ehtiyatları saxlamaq üçün hidrogenin bu radioaktiv izotopunu davamlı olaraq istehsal etmək lazımdır. Məsələn, ABŞ-da, Cənubi Karolina ştatının Savannah River şəhərində tritium istehsal edən bir neçə ağır su reaktoru var.
Üzən güc blokları
Ucqar təcrid olunmuş əraziləri elektrik enerjisi və buxarla isitmə ilə təmin edə bilən nüvə reaktorları yaradılmışdır. Məsələn, Rusiyada tətbiq tapdıqArktika icmalarına xidmət etmək üçün xüsusi olaraq hazırlanmış kiçik elektrik stansiyaları. Çində 10 MVt gücündə HTR-10 stansiyası yerləşdiyi tədqiqat institutunu istilik və enerji ilə təmin edir. İsveç və Kanadada oxşar imkanlara malik kiçik idarə olunan reaktorlar hazırlanır. 1960-1972-ci illər arasında ABŞ Ordusu Qrenlandiya və Antarktidadakı uzaq bazaları enerji ilə təmin etmək üçün kompakt su reaktorlarından istifadə etdi. Onlar neftlə işləyən elektrik stansiyaları ilə əvəz olunub.
Kosmosun kəşfiyyatı
Bundan əlavə, enerji təchizatı və kosmosda hərəkət üçün reaktorlar hazırlanmışdır. 1967-1988-ci illər arasında Sovet İttifaqı Kosmos peyklərində avadanlıq və telemetriyanı gücləndirmək üçün kiçik nüvə qurğuları quraşdırdı, lakin bu siyasət tənqid hədəfinə çevrildi. Bu peyklərdən ən azı biri Yer atmosferinə daxil olub və nəticədə Kanadanın ucqar ərazilərinin radioaktiv çirklənməsi baş verib. ABŞ 1965-ci ildə yalnız bir nüvə peykini buraxdı. Bununla belə, onların dərin kosmik uçuşlarda, digər planetlərin insan tərəfindən kəşfiyyatında və ya daimi Ay bazasında istifadəsi üçün layihələrin hazırlanması davam edir. Bu, mütləq qazla soyudulmuş və ya maye metal nüvə reaktoru olacaq, onun fiziki prinsipləri radiatorun ölçüsünü minimuma endirmək üçün lazım olan ən yüksək temperaturu təmin edəcəkdir. Bundan əlavə, istifadə olunan materialın miqdarını minimuma endirmək üçün kosmik reaktor mümkün qədər yığcam olmalıdırqalxan və kosmosa uçuş zamanı çəki az altmaq üçün. Yanacaq ehtiyatı kosmosa uçuşun bütün dövrü ərzində reaktorun işləməsini təmin edəcək.
