Ядерний реактор: принцип роботи, пристрій і схема

Пристрій і принцип дії ядерного реактора засновані на ініціалізації і контролі самоподдерживающейся ядерної реакції. Його використовують в якості дослідницького інструменту, для виробництва радіоактивних ізотопів і як джерело енергії для атомних електростанцій.

Ядерний реактор: принцип роботи (коротко)

Тут використовується процес ділення ядер, при якому важке ядро розпадається на два більш дрібних фрагмента. Ці осколки знаходяться в дуже збудженому стані і випускають нейтрони, інші субатомні частинки і фотони. Нейтрони можуть викликати нові поділу, в результаті яких їх випромінюється ще більше, і так далі. Такий безперервний самоподдерживающийся ряд розщеплення називається ланцюговою реакцією. При цьому виділяється велика кількість енергії, виробництво якої є метою використання АЕС.

Принцип роботи ядерного реактора і атомної електростанції такий, що коло 85% енергії розщеплення вивільняється протягом дуже короткого проміжку часу після початку реакції. Інша частина виробляється в результаті радіоактивного розпаду продуктів поділу, після того як вони випромінюючи нейтрони. Радіоактивний розпад є процесом, при якому атом досягає більш стабільного стану. Він триває і після завершення поділу.

В атомній бомбі ланцюгова реакція збільшує свою інтенсивність, поки не буде розщеплена велика частина матеріалу. Це відбувається дуже швидко, виробляючи надзвичайно потужні вибухи, характерні для таких бомб. Пристрій і принцип дії ядерного реактора засновані на підтримці ланцюгової реакції на регульованому, майже постійному рівні. Він сконструйований таким чином, що вибухнути, як атомна бомба, не може.

Ланцюгова реакція і критичність

Фізика ядерного реактора поділу полягає в тому, що ланцюгова реакція визначається ймовірністю розщеплення ядра після випускання нейтронів. Якщо популяція останніх зменшується, то швидкість ділення нарешті впаде до нуля. В цьому випадку реактор буде перебувати в докритичному стані. Якщо ж популяція нейтронів підтримується на постійному рівні, то швидкість ділення буде залишатися стабільною. Реактор буде перебувати в критичному стані. І, нарешті, якщо популяція нейтронів з часом зростає, швидкість розподілу і потужність буде збільшуватися. Стан активної зони стане надкритичних.

Принцип дії ядерного реактора наступного. Перед його запуском популяція нейтронів близька до нуля. Потім оператори видаляють керуючі стрижні з активної зони, збільшуючи ділення ядер, що тимчасово переводить реактор в надкритичної стан. Після виходу на номінальну потужність оператори частково повертають керуючі стрижні, регулюючи кількість нейтронів. Надалі реактор підтримується в критичному стані. Коли його необхідно зупинити, оператори вставляють стрижні повністю. Це пригнічує поділ і переводить активну зону в докритичний стан.

типи реакторів

Більшість існуючих в світі ядерних установок є енергетичними, генеруючими тепло, необхідне для обертання турбін, які надають руху генератори електричної енергії. Також є багато дослідницьких реакторів, а деякі країни мають підводні човни або надводні кораблі, рухомі енергією атома.

енергетичні установки

Існує кілька видів реакторів цього типу, але широке застосування знайшла конструкція на легкій воді. У свою чергу, в ній може використовуватися вода під тиском або кипляча вода. У першому випадку рідина під високим тиском нагрівається теплом активної зони і надходить в парогенератор. Там тепло від первинного контуру передається на вторинний, також містить воду. Генерується в кінцевому рахунку пар служить робочою рідиною в циклі парової турбіни.

Реактор киплячого типу працює за принципом прямого енергетичного циклу. Вода, проходячи через активну зону, доводиться до кипіння на середньому рівні тиску. Насичена пара проходить через серію сепараторів і сушарок, розташованих в корпусі реактора, що призводить його в сверхперегретое стан. Перегрітий водяний пар потім використовується в якості робочої рідини, яка обертає турбіну.

Високотемпературні з газовим охолодженням

Високотемпературний газоохолоджувальні реактор (ВТГР) - це ядерний реактор, принцип роботи якого заснований на застосуванні в якості палива суміші графіту і паливних мікросфер. Існують дві конкуруючі конструкції:

• німецька «Засипна» система, яка використовує сферичні паливні елементи діаметром 60 мм, що представляють собою суміш графіту і палива в графітової оболонці;
• американський варіант у вигляді графітових гексагональних призм, які зчіплюються, створюючи активну зону.

В обох випадках охолоджуюча рідина складається з гелію під тиском близько 100 атмосфер. У німецькій системі гелій проходить через проміжки в шарі сферичних паливних елементів, а в американській - через отвори в графітових призмах, розташованих уздовж осі центральної зони реактора. Обидва варіанти можуть працювати при дуже високих температурах, так як графіт має надзвичайно високу температуру сублімації, а гелій повністю інертний хімічно. Гарячий гелій може бути застосований безпосередньо в якості робочої рідини в газовій турбіні при високій температурі або його тепло можна використовувати для генерації пари водяного циклу.

Рідкометалевий ядерний реактор: схема і принцип роботи

Реакторів на швидких нейтронах з натрієвим теплоносієм приділялася велика увага в 1960-1970-х роках. Тоді здавалося, що їх можливості по відтворенню ядерного палива найближчим часом необхідні для виробництва палива для швидко розвивається атомної промисловості. Коли в 1980-і роки стало ясно, що це очікування нереалістично, ентузіазм згас. Однак в США, Росії, Франції, Великобританії, Японії та Німеччини побудований ряд реакторів цього типу. Більшість з них працює на діоксиді урану або його суміші з діоксидом плутонію. У Сполучених Штатах, однак, найбільший успіх був досягнутий з металевими паливом.

CANDU

Канада зосередила свої зусилля на реакторах, в яких використовується природний уран. Це позбавляє від необхідності для його збагачення вдаватися до послуг інших країн. Результатом такої політики став дейтерій-урановий реактор (CANDU). Контроль і охолодження в ньому виробляється важкою водою. Пристрій і принцип роботи ядерного реактора полягає у використанні резервуара з холодною D₂O при атмосферному тиску. Активна зона пронизана трубами з цирконієвого сплаву з паливом з природного урану, через які циркулює охолоджуюча його важка вода. Електроенергія виробляється за рахунок передачі теплоти ділення у важкій воді охолоджуючої рідини, яка циркулює через парогенератор. Пар у вторинному контурі потім проходить через звичайний турбінний цикл.

дослідницькі установки

Для проведення наукових досліджень найчастіше використовується ядерний реактор, принцип роботи якого полягає в застосуванні водяного охолодження і пластинчастих уранових паливних елементів у вигляді збірок. Здатний функціонувати в широкому діапазоні рівнів потужності, від декількох кіловат до сотень мегават. Оскільки виробництво електроенергії не є основним завданням дослідних реакторів, вони характеризуються вироблюваної тепловою енергією, щільністю і номінальною енергією нейтронів активної зони. Саме ці параметри допомагають кількісно оцінити здатність дослідницького реактора проводити конкретні дослідження. Малопотужні системи, як правило, функціонують в університетах і використовуються для навчання, а висока потужність необхідна в науково-дослідних лабораторіях для тестування матеріалів і характеристик, а також для загальних досліджень.

Найбільш поширений дослідницький ядерний реактор, будова і принцип роботи якого наступні. Його активна зона розташована в нижній частині великого глибокого басейну з водою. Це спрощує спостереження і розміщення каналів, за якими можуть бути спрямовані пучки нейтронів. При низьких рівнях потужності немає необхідності прокачувати охолоджуючу рідину, так як для підтримки безпечного робочого стану природна конвекція теплоносія забезпечує достатнє відведення тепла. Теплообмінник, як правило, знаходиться на поверхні або в верхній частині басейну, де скупчується гаряча вода.

корабельні установки

Початковим і основним застосуванням ядерних реакторів є їх використання в підводних човнах. Головною їх перевагою є те, що, на відміну від систем спалювання викопного палива, для вироблення електроенергії їм не потрібно повітря. Отже, атомна субмарина може залишатися в зануреному стані протягом тривалого часу, а звичайна дизель-електрична підводний човен повинен періодично підніматися на поверхню, щоб запускати свої двигуни в повітрі. Ядерна енергетика дає стратегічну перевагу кораблям ВМС. Завдяки їй відпадає необхідність заправлятися в іноземних портах або від легко вразливих танкерів.

Принцип роботи ядерного реактора на підводному човні засекречений. Однак відомо, що в США в ньому використовується високозбагачений уран, а уповільнення і охолодження проводиться легкої водою. Конструкція першого реактора атомної субмарини USS Nautilus перебувала під сильним впливом потужних дослідних установок. Його унікальними особливостями є дуже великий запас реактивності, що забезпечує тривалий період роботи без дозаправки і можливість перезапуску після зупинки. Електростанція в підводних човнах повинна бути дуже тихою, щоб уникнути виявлення. Для задоволення конкретних потреб різних класів субмарин були створені різні моделі силових установок.

На авіаносцях ВМС США використовується ядерний реактор, принцип роботи якого, як вважають, запозичений у найбільших підводних човнів. Докладні відомості їх конструкції також не були опубліковані.

Крім США, атомні підводні човни є у Великобританії, Франції, Росії, Китаю та Індії. У кожному разі конструкція не розголошувалася, але вважається, що всі вони дуже схожі - це є наслідком однакових вимог до їх технічними характеристиками. Росія також має невелику флотом атомних криголамів, на яких встановлювалися такі ж реактори, як і на радянських субмаринах.

промислові установки

Для цілей виробництва збройового плутонію-239 використовується ядерний реактор, принцип роботи якого полягає у високій продуктивності при низькому рівні виробництва енергії. Це обумовлено тим, що тривале перебування плутонію в активній зоні призводить до нагромадження небажаної ²⁴⁰Pu.

виробництво тритію

В даний час основним матеріалом, що отримуються за допомогою таких систем, є тритій (³H або T) - заряд для водневих бомб. Плутоній-239 має тривалий період напіврозпаду, рівний 24100 років, тому країни з арсеналами ядерної зброї, що використовують цей елемент, як правило, мають його більше, ніж необхідно. На відміну від ²³⁹Pu, період напіврозпаду тритію становить приблизно 12 років. Таким чином, щоб підтримувати необхідні запаси, цей радіоактивний ізотоп водню повинен проводитися безперервно. У США в Саванна-Рівер (штат Південна Кароліна), наприклад, працює кілька реакторів на важкій воді, які виробляють тритій.

Плавучі енергоблоки

Створено ядерні реактори, здатні забезпечити електроенергією і паровим опаленням віддалені ізольовані райони. У Росії, наприклад, знайшли застосування невеликі енергетичні установки, спеціально призначені для обслуговування арктичних населених пунктів. У Китаї 10-МВт установка HTR-10 забезпечує теплом і електроенергією дослідний інститут, в якому вона знаходиться. Розробки невеликих автоматично керованих реакторів з аналогічними можливостями ведуться в Швеції і Канаді. У період з 1960 по 1972 рік армія США використовувала компактні водяні реактори для забезпечення віддалених баз в Гренландії і Антарктиці. Вони були замінені мазутними електростанціями.

підкорення космосу

Крім того, були розроблені реактори для енергопостачання і пересування в космічному просторі. У період з 1967 по 1988 рік Радянський Союз встановлював невеликі ядерні установки на супутники серії «Космос» для живлення устаткування і телеметрії, але ця політика стала мішенню для критики. Принаймні один з таких супутників увійшов в атмосферу Землі, в результаті чого радіоактивному забрудненню піддалися віддалені райони Канади. Сполучені Штати запустили тільки один супутник з ядерним реактором в 1965 році. Однак проекти по їх застосуванню в далеких космічних польотах, пілотованих дослідженнях інших планет або на постійній місячній базі продовжують розроблятися. Це обов`язково буде газоохолоджувальні або рідкометалевий ядерний реактор, фізичні принципи роботи якого забезпечать максимально високу температуру, необхідну для мінімізації розміру радіатора. Крім того, реактор для космічної техніки повинен бути максимально компактним, щоб звести до мінімуму кількість матеріалу, що використовується для екранування, і для зменшення ваги під час старту і космічного польоту. Запас палива забезпечить роботу реактора на весь період космічного польоту.