Jaderný reaktor: princip činnosti, zařízení a obvodu

Návrh a provoz jaderného reaktoru je založen na inicializaci a kontrole samovolné jaderné reakce. Používá se jako výzkumný nástroj pro výrobu radioaktivních izotopů a jako zdroj energie pro jaderné elektrárny.

Jaderný reaktor: princip práce (stručně)

Zde se používá proces jaderného štěpení, ve kterém se těžké jádro rozpadá na dva menší fragmenty. Tyto fragmenty jsou ve velmi vzrušeném stavu a vyzařují neutrony, jiné subatomové částice a fotony. Neutrony mohou způsobit nové štěpení, v důsledku čehož jsou ještě vyzařovány, a tak dále. Taková nepřetržitá samočinná řada rozštěpů se nazývá řetězová reakce. Současně je přiděleno velké množství energie, jehož výroba je cílem využití jaderných elektráren.

Princip fungování jaderného reaktoru a jaderné elektrárny je takový, že kolonie o 85% energie štěpení se uvolní ve velmi krátkém časovém úseku po zahájení reakce. Zbytek vzniká v důsledku radioaktivního rozkladu štěpných produktů po vyzařování neutronů. Radioaktivní rozklad je proces, při kterém atom dosáhne stabilnějšího stavu. Pokračuje po dokončení divize.

V jaderné bombě řetězová reakce zvyšuje svou intenzitu až do rozdělení většiny materiálu. To se děje velmi rychle a produkuje extrémně silné výbuchy, typické pro takové bomby. Konstrukce a provoz jaderného reaktoru je založen na udržování řetězové reakce na regulované, téměř konstantní úrovni. Je navržen tak, aby nemohl explodovat jako atomová bomba.

Řetězová reakce a kritika

Fyzikou jaderného štěpného reaktoru je to, že řetězová reakce je určena pravděpodobností štěpení jádra po emisi neutronů. Pokud se populace těchto populací sníží, míra štěpení nakonec klesne na nulu. V tomto případě bude reaktor v podkritickém stavu. Pokud je populace neutronů udržována na konstantní úrovni, zůstane míra štěpení stabilní. Reaktor bude v kritickém stavu. A konečně, pokud se populace neutronů časem zvýší, míra štěpení a síla se zvýší. Stav jádra se stává nadkritickým.

Princip jaderného reaktoru je následující. Před jeho uvedením do provozu je populace neutronů téměř nulová. Operátoři pak odstraní řídicí tyče z jádra, čímž se zvětší štěpení jader, dočasně se přesune reaktor do superkritického stavu. Po dosažení jmenovitého výkonu operátoři částečně vracejí ovládací tyče regulující počet neutronů. V budoucnu se reaktor udržuje v kritickém stavu. Když je třeba ho zastavit, obsluha vloží tyče úplně. Toto potlačuje rozdělení a přenáší aktivní zónu do podkritického stavu.

Typy reaktorů

Většina stávajících jaderných zařízení na světě je zdrojem tepla potřebného pro otáčení turbín, které uvádějí do pohybu elektrické generátory. Existuje také mnoho výzkumných reaktorů a některé země mají ponorky nebo povrchové lodě řízené energií atomu.

Elektrárny

Existuje několik typů reaktorů tohoto typu, ale konstrukce na lehké vodě byla široce použitelná. Na druhou stranu může používat vodu pod tlakem nebo vroucí vodou. V prvním případě se kapalina pod vysokým tlakem ohřívá teplo jádra a vstupuje do parního generátoru. Zde se teplo z primárního okruhu přenese na sekundární, také obsahující vodu. V závěrečné analýze se v cyklu parní turbíny používá pára jako pracovní tekutina.

Reaktor varu pracuje na principu přímého energetického cyklu. Voda, procházející aktivní zónou, se uvede do varu při průměrné úrovni tlaku. Nasycená pára prochází řadou odlučovačů a sušičů umístěných v reaktorové nádobě, což vede k přehřátému stavu. Přehřátá vodní pára se pak používá jako pracovní tekutina, která otáčí turbínu.

Vysoká teplota s chlazením plynu

Vysokotlaký plynový chlazený reaktor (HTGR) je jaderný reaktor, jehož princip je založen na použití směsi grafitu a palivových mikrosfér jako palivo. Existují dva konkurenční návrhy:

• Německý systém "zásypu", který používá kulové palivové články o průměru 60 mm, což je směs grafitu a paliva v grafitovém obalu;
• Americká varianta ve formě grafitových šestihranných hranolů, které drží, vytváří aktivní zónu.

V obou případech se chladící kapalina skládá z hélia pod tlakem asi 100 atmosfér. V německém systému hélium prochází mezery ve vrstvě sférické palivové články, a v USA - přes otvory v grafitových hranolcích umístěných podél osy centrální zóny reaktoru. Oba varianty mohou pracovat při velmi vysokých teplotách, protože grafit má extrémně vysokou teplotu sublimace a helium je zcela chemicky inertní. Horké hélium může být používáno přímo jako pracovní tekutina v plynové turbíně při vysoké teplotě, nebo může být jeho teplo použito k vytváření páry vodního cyklu.

Tekutý kovový reaktor: Schéma a princip činnosti

Reaktory na rychlé neutrony s chladivem sodíku dostaly velkou pozornost v šedesátých a sedmdesátých letech. Pak se zdálo, že jejich možnosti reprodukce jaderné palivo v blízké budoucnosti jsou nezbytné pro výrobu paliva pro rychle se rozvíjející jaderný průmysl. Když se v 80. letech stalo jasné, že toto očekávání bylo nerealistické, nadšení zmizelo. Nicméně řada reaktorů tohoto typu byla postavena v USA, Rusku, Francii, Velké Británii, Japonsku a Německu. Většina z nich pracuje na oxidu uranu nebo jeho směsi s oxidem plutonia. Ve Spojených státech se však největší úspěch dosáhl u kovových paliv.

CANDU

Kanada zaměřila své úsilí na reaktory využívající přírodní uran. To eliminuje potřebu jeho obohacení, aby se ucházelo o služby jiných zemí. Výsledkem těchto politik byl deuterium-uranový reaktor (CANDU). Ovládání a chlazení je tvořeno těžkou vodou. Zařízení a princip činnosti jaderného reaktoru spočívají v použití nádrže se studeným D₂O při atmosférickém tlaku. Aktivní zóna je pronikána trubkami ze slitiny zirkonia s palivem z přírodního uranu, kterými cirkuluje těžké chladicí vody. Elektřina je produkována přenosem tepla štěpení v těžké vodě do chladicí tekutiny, která cirkuluje parním generátorem. Pára v sekundárním okruhu pak prochází běžným cyklem turbíny.

Výzkumné instalace

Pro provádění vědeckého výzkumu je nejčastěji používaným jaderným reaktorem, jehož principem je použití vodních chladicích a palivových článků jako uranové palivové články ve formě sestav. Je schopen pracovat v širokém rozsahu výkonových stupňů, od několika kilowattů po stovky megawattů. Vzhledem k tomu, že výroba elektřiny není hlavním úkolem výzkumných reaktorů, jsou charakterizovány generovanou tepelnou energií, hustotou a nominální energií jádrových neutronů. Právě tyto parametry pomáhají kvantifikovat schopnost výzkumného reaktoru provádět specifická vyšetřování. Systémy s nízkým výkonem mají tendenci působit na vysokých školách a používají se k výcviku a ve výzkumných laboratořích je potřebná vysoká síla pro testování materiálů a vlastností a pro obecný výzkum.

Nejběžnější výzkumný jaderný reaktor, jehož struktura a princip činnosti jsou následující. Jeho aktivní zóna je umístěna v dolní části velké hlubinné pánve s vodou. To zjednodušuje pozorování a umisťování kanálů, kterými mohou být nasměrovány neutronové paprsky. Při nízkých úrovních výkonu není nutné pumpovat chladicí kapalinu, protože při zachování bezpečného pracovního stavu zajišťuje přirozené proudění chladiva dostatečné odvod tepla. Výměník tepla je zpravidla umístěn na povrchu nebo v horní části bazénu, kde se nahromadí horká voda.

Lodní instalace

Počáteční a hlavní použití jaderných reaktorů je jejich použití v ponorech. Jejich hlavní výhodou je, že na rozdíl od spalovacích systémů fosilních paliv nepotřebují vzduch k výrobě elektřiny. V důsledku toho může být atomová ponorka dlouho ponořena a běžná dieselově-elektrická ponorka musí pravidelně stoupat na povrch, aby mohla spustit své motory ve vzduchu. Jaderná energetika poskytuje strategickou výhodu lodím Námořnictva. Z tohoto důvodu není nutné doplňovat palivo do zahraničních přístavů nebo do lehce zranitelných tankerů.

Princip fungování jaderného reaktoru na ponorce je klasifikován. Nicméně je známo, že v USA používá vysoce obohacený uran a zpomalení a chlazení je produkováno lehkou vodou. Konstrukce prvního jaderného reaktoru USS Nautilus byla silně ovlivněna výkonnými výzkumnými zařízeními. Jeho jedinečné vlastnosti jsou velkou rezervou reaktivity, poskytující dlouhou dobu provozu bez doplňování paliva a schopnost restartu po zastavení. Elektrárna v ponorech musí být velmi tichá, aby nedošlo k detekci. Aby byly splněny specifické potřeby různých tříd ponorek, byly vytvořeny různé modely elektráren.

Námořní letadlové lodě US Navy používají jaderný reaktor, jehož princip je považován za vypůjčený z největších ponorek. Podrobnosti o jejich designu nebyly zveřejněny.

Kromě Spojených států jsou jaderné ponorky dostupné v Británii, Francii, Rusku, Číně a Indii. V každém případě nebyl návrh uveden, ale předpokládá se, že jsou všechny velmi podobné - je to důsledkem stejných požadavků na jejich technické vlastnosti. Rusko má také malou flotilu jaderné ledovce, na kterých byly instalovány stejné reaktory, jako na sovětských ponorech.

Průmyslové rostliny

Pro účely výroby zbraní plutonia-239 Používá se jaderný reaktor, jehož zásadou je vysoká produktivita s nízkou produkcí energie. To je způsobeno skutečností, že prodloužený pobyt plutonia v jádře vede k akumulaci nežádoucích ²⁴⁰Pu.

Výroba tritia

V současnosti je hlavním materiálem získaným pomocí takových systémů tritium (³H nebo T) je poplatek za vodíkové bomby. Plutonium-239 má dlouhý poločas 24 100 let, takže země s arzenály jaderných zbraní používající tento prvek mají tendenci mít více než je nutné. Na rozdíl od toho ²³⁹Pu, poločas trícia je přibližně 12 let. Proto, aby se udržely potřebné rezervy, musí být tento radioaktivní izotop vodíku vyráběn nepřetržitě. V USA například na řece Savannah (Jižní Karolína) existuje několik reaktorů těžké vody, které produkují tritium.

Plovoucí agregáty

Jaderné reaktory byly vytvořeny tak, aby poskytovaly vzdálené izolované oblasti s elektrickým a parním ohřevem. Například v Rusku byly použity malé elektrárny speciálně určené pro obsluhu arktických osad. V Číně zařízení HTR-10 o výkonu 10 MW dodává teplo a energii výzkumnému ústavu, ve kterém se nachází. Vývoj malých, automaticky řízených reaktorů s podobnými schopnostmi probíhá ve Švédsku a Kanadě. Mezi lety 1960 a 1972 použila americká armáda kompaktní vodní reaktory, které poskytovaly vzdálené základny v Grónsku a Antarktidě. Byly nahrazeny černými elektrárnami.

Dobytí vesmíru

Navíc byly vyvinuty reaktory pro napájení a pohyb ve vesmíru. Mezi lety 1967 a 1988 instaloval Sovětský svaz malá jaderná zařízení pro satelity řady Cosmos pro napájení zařízení a telemetrie, ale tato politika se stala terčem kritiky. Přinejmenším jeden z těchto družic vstoupil do zemské atmosféry, což vedlo k radioaktivní kontaminaci ve vzdálených oblastech Kanady. Spojené státy zahájily v roce 1965 pouze jednu družici s jaderným reaktorem. Projekty pro jejich použití v rozsáhlých vesmírných letech, studie jiných planet nebo na stálé lunární základně se však stále rozvíjejí. To nutně bude plynově chlazený nebo tekutý-kovový jaderný reaktor, jehož fyzikální principy zajistí nejvyšší možnou teplotu nezbytnou pro minimalizaci velikosti radiátoru. Kromě toho by reaktor pro vesmírnou techniku ​​měl být co nejkompaktnější, aby se minimalizovalo množství materiálu použitého pro stínění a aby se snížila váha během startu a letového prostoru. Zásoba paliva zajistí provoz reaktoru po celou dobu letu v prostoru.