Die toestel en beginsel van werking van 'n kernreaktor is gebaseer op die inisialisering en beheer van 'n selfonderhoudende kernreaksie. Dit word gebruik as 'n navorsingsinstrument, vir die vervaardiging van radioaktiewe isotope, en as 'n kragbron vir kernkragsentrales.
Kernreaktor: hoe dit werk (kortliks)
Hier word die proses van kernsplyting gebruik, waarin 'n swaar kern in twee kleiner fragmente opbreek. Hierdie fragmente is in 'n hoogs opgewonde toestand en straal neutrone, ander subatomiese deeltjies en fotone uit. Neutrone kan nuwe splytings veroorsaak, as gevolg waarvan meer neutrone vrygestel word, ensovoorts. So 'n deurlopende selfonderhoudende reeks splitsings word 'n kettingreaksie genoem. Terselfdertyd word 'n groot hoeveelheid energie vrygestel, waarvan die produksie die doel is om kernkragsentrales te gebruik.
Die beginsel van werking van 'n kernreaktor en 'n kernkragsentrale is sodanig dat ongeveer 85% van die splytingsenergie vrygestel word binne 'n baie kort tydperk na die aanvang van die reaksie. Die res word indie gevolg van die radioaktiewe verval van splitsingsprodukte nadat hulle neutrone vrygestel het. Radioaktiewe verval is die proses waardeur 'n atoom 'n meer stabiele toestand bereik. Dit gaan voort selfs nadat die verdeling voltooi is.
In 'n atoombom neem die kettingreaksie in intensiteit toe totdat die meeste van die materiaal verdeel is. Dit gebeur baie vinnig, wat die uiters kragtige ontploffings veroorsaak wat kenmerkend is van sulke bomme. Die toestel en beginsel van werking van 'n kernreaktor is gebaseer op die handhawing van 'n kettingreaksie op 'n beheerde, byna konstante vlak. Dit is so ontwerp dat dit nie soos 'n atoombom kan ontplof nie.
Kettingreaksie en kritiek
Die fisika van 'n kernsplytingsreaktor is dat die kettingreaksie bepaal word deur die waarskynlikheid van kernsplyting na die vrystelling van neutrone. As die bevolking van laasgenoemde afneem, sal die splitsingstempo uiteindelik tot nul daal. In hierdie geval sal die reaktor in 'n subkritiese toestand wees. As die populasie van neutrone op 'n konstante vlak gehandhaaf word, sal die splytingstempo stabiel bly. Die reaktor sal in 'n kritieke toestand wees. En laastens, as die populasie van neutrone oor tyd groei, sal die splytingstempo en krag toeneem. Die kern sal superkrities word.
Die beginsel van werking van 'n kernreaktor is soos volg. Voor die bekendstelling daarvan is die neutronpopulasie naby aan nul. Die operateurs verwyder dan die beheerstawe uit die kern, wat kernsplyting verhoog, wat tydelik vertaalreaktor na superkritiese toestand. Nadat die nominale drywing bereik is, gee die operateurs die beheerstawe gedeeltelik terug en pas die aantal neutrone aan. In die toekoms word die reaktor in 'n kritieke toestand gehou. Wanneer dit gestop moet word, steek die operateurs die stawe heeltemal in. Dit onderdruk splitsing en bring die kern na 'n subkritiese toestand.
Tipe reaktore
Die meeste van die wêreld se kerninstallasies genereer energie, wat die hitte genereer wat nodig is om turbines te laat draai wat elektriese kragopwekkers aandryf. Daar is ook baie navorsingsreaktors, en sommige lande het kernaangedrewe duikbote of oppervlakskepe.
kragsentrales
Daar is verskeie soorte reaktore van hierdie tipe, maar die ligte waterontwerp het wye toepassing gevind. Op sy beurt kan dit drukwater of kookwater gebruik. In die eerste geval word die vloeistof onder hoë druk verhit deur die hitte van die kern en gaan die stoomgenerator binne. Daar word die hitte van die primêre kring oorgedra na die sekondêre, wat ook water bevat. Die uiteindelik gegenereerde stoom dien as die werkvloeistof in die stoomturbinesiklus.
Die kokende-tipe reaktor werk op die beginsel van 'n direkte energiesiklus. Water wat deur die aktiewe sone gaan, word teen 'n gemiddelde drukvlak tot kookpunt gebring. Versadigde stoom gaan deur 'n reeks skeiers en droërs wat in die reaktorhouer geleë is, wat dit naoorverhitte toestand. Die oorverhitte waterdamp word dan as 'n werkvloeistof gebruik om 'n turbine te draai.
Hoëtemperatuur-gasverkoel
Die hoë-temperatuur gasverkoelde reaktor (HTGR) is 'n kernreaktor waarvan die bedryfsbeginsel gebaseer is op die gebruik van 'n mengsel van grafiet en brandstofmikrosfere as brandstof. Daar is twee mededingende ontwerpe:
- Duitse "vulstelsel" wat sferiese brandstofselle van 60 mm deursnee gebruik, wat 'n mengsel van grafiet en brandstof in 'n grafietdop is;
- Amerikaanse weergawe in die vorm van grafiet seskantige prismas wat ineenskakel om 'n aktiewe sone te vorm.
In beide gevalle bestaan die koelmiddel uit helium teen 'n druk van ongeveer 100 atmosfeer. In die Duitse stelsel gaan helium deur gapings in die laag sferiese brandstofelemente, en in die Amerikaanse stelsel deur gate in grafietprismas wat langs die as van die sentrale sone van die reaktor geleë is. Albei opsies kan teen baie hoë temperature werk, aangesien grafiet 'n uiters hoë sublimasietemperatuur het, terwyl helium heeltemal chemies inert is. Warm helium kan direk as 'n werkende vloeistof in 'n gasturbine by hoë temperatuur toegedien word, of die hitte daarvan kan gebruik word om watersiklusstoom op te wek.
Vloeibare metaal kernreaktor: skema en beginsel van werking
Vinnige neutronreaktors met natriumkoelmiddel het in die 1960's en 1970's baie aandag geniet. Toedit het gelyk of hul vermoë om in die nabye toekoms kernbrandstof te reproduseer, nodig was vir die vervaardiging van brandstof vir die vinnig ontwikkelende kernindustrie. Toe dit in die 1980's duidelik word dat hierdie verwagting onrealisties is, het die entoesiasme vervaag. 'n Aantal reaktors van hierdie tipe is egter in die VSA, Rusland, Frankryk, Groot-Brittanje, Japan en Duitsland gebou. Die meeste van hulle werk op uraandioksied of die mengsel daarvan met plutoniumdioksied. In die Verenigde State was die grootste sukses egter met metaalbrandstowwe.
CANDU
Kanada het sy pogings gefokus op reaktore wat natuurlike uraan gebruik. Dit skakel die behoefte uit vir die verryking daarvan om na die dienste van ander lande toe te vlug. Die resultaat van hierdie beleid was die deuterium-uraanreaktor (CANDU). Beheer en verkoeling daarin word deur swaar water uitgevoer. Die toestel en beginsel van werking van 'n kernreaktor is om 'n tenk te gebruik met koue D2O by atmosferiese druk. Die kern word deur pype gemaak van sirkoniumlegering met natuurlike uraanbrandstof, waardeur swaar water dit afkoel. Elektrisiteit word geproduseer deur die hitte van splyting in swaar water oor te dra na koelmiddel wat deur die stoomgenerator gesirkuleer word. Die stoom in die sekondêre stroombaan gaan dan deur die normale turbinesiklus.
Navorsingsinstallasies
Vir wetenskaplike navorsing word 'n kernreaktor meestal gebruik, waarvan die beginsel is om waterverkoeling enlamellêre uraanbrandstofelemente in die vorm van samestellings. In staat om oor 'n wye reeks kragvlakke te werk, van 'n paar kilowatt tot honderde megawatt. Aangesien kragopwekking nie die hooftaak van navorsingsreaktore is nie, word hulle gekenmerk deur die opgewekte termiese energie, digtheid en nominale energie van neutrone in die kern. Dit is hierdie parameters wat help om die vermoë van 'n navorsingsreaktor om spesifieke opnames te doen, te kwantifiseer. Laekragstelsels word tipies in universiteite vir onderrigdoeleindes gebruik, terwyl hoëkragstelsels in R&D-laboratoriums benodig word vir materiaal- en prestasietoetsing en algemene navorsing.
Die mees algemene navorsingskernreaktor, waarvan die struktuur en beginsel van werking soos volg is. Sy aktiewe sone is geleë op die bodem van 'n groot diep poel water. Dit vereenvoudig die waarneming en plasing van kanale waardeur neutronstrale gerig kan word. By lae kragvlakke is dit nie nodig om die koelmiddel te laat uitblaas nie, aangesien die natuurlike konveksie van die koelmiddel voldoende hitteafvoer verskaf om 'n veilige bedryfstoestand te handhaaf. Die hitteruiler is gewoonlik op die oppervlak of bo-op die swembad geleë waar warm water ophoop.
Skeepsinstallasies
Die oorspronklike en hoofgebruik van kernreaktors is in duikbote. Hul grootste voordeel isdat, anders as fossielbrandstofverbrandingstelsels, hulle nie lug benodig om elektrisiteit op te wek nie. Daarom kan 'n kernduikboot vir lang tydperke onder die water bly, terwyl 'n konvensionele diesel-elektriese duikboot periodiek na die oppervlak moet styg om sy enjins in die lug te begin. Kernkrag gee 'n strategiese voordeel aan die skepe van die vloot. Dit skakel die behoefte uit om brandstof by buitelandse hawens of van kwesbare tenkwaens te vul.
Die beginsel van werking van 'n kernreaktor op 'n duikboot word geklassifiseer. Dit is egter bekend dat dit in die VSA hoogs verrykte uraan gebruik, en vertraag en afkoel word deur ligte water gedoen. Die ontwerp van die eerste reaktor van die kernduikboot USS Nautilus is sterk beïnvloed deur kragtige navorsingsfasiliteite. Sy unieke kenmerke is 'n baie groot reaktiwiteitsmarge, wat 'n lang tydperk van werking verseker sonder om brandstof te vul en die vermoë om weer te begin na 'n stop. Die kragstasie in die subs moet baie stil wees om opsporing te vermy. Om aan die spesifieke behoeftes van verskillende klasse duikbote te voldoen, is verskillende modelle van kragsentrales geskep.
Die Amerikaanse vloot-vliegdekskepe gebruik 'n kernreaktor, waarvan die beginsel glo van die grootste duikbote geleen is. Besonderhede van hul ontwerp is ook nie vrygestel nie.
Benewens die VSA, het die VK, Frankryk, Rusland, China en Indië kernduikbote. In elke geval is die ontwerp nie bekend gemaak nie, maar daar word geglo dat hulle almal baie soortgelyk is - ditis 'n gevolg van dieselfde vereistes vir hul tegniese eienskappe. Rusland het ook 'n klein vloot kernaangedrewe ysbrekers wat dieselfde reaktors as Sowjet-duikbote het.
Industriële installasies
Vir die vervaardiging van wapengraad-plutonium-239 word 'n kernreaktor gebruik, waarvan die beginsel hoë produktiwiteit met 'n lae vlak van energieproduksie is. Dit is te wyte aan die feit dat 'n lang verblyf van plutonium in die kern lei tot die ophoping van ongewenste 240Pu.
Tritium-produksie
Tans is die hoofmateriaal wat deur sulke stelsels vervaardig word tritium (3H of T), die lading vir waterstofbomme. Plutonium-239 het 'n lang halfleeftyd van 24 100 jaar, so lande met kernwapenarsenale wat hierdie element gebruik, is geneig om meer daarvan te hê as wat hulle nodig het. Anders as 239Pu, het tritium 'n halfleeftyd van ongeveer 12 jaar. Om dus die nodige voorrade in stand te hou, moet hierdie radioaktiewe isotoop van waterstof voortdurend geproduseer word. In die VSA het Savannah River, Suid-Carolina, byvoorbeeld, verskeie swaarwaterreaktors wat tritium produseer.
Drywende krageenhede
Kernreaktors is geskep wat elektrisiteit en stoomverhitting aan afgeleë geïsoleerde gebiede kan verskaf. In Rusland, byvoorbeeld, toepassing gevind hetklein kragsentrales wat spesifiek ontwerp is om Arktiese gemeenskappe te bedien. In China verskaf 'n 10 MW HTR-10-aanleg hitte en krag aan die navorsingsinstituut waar dit geleë is. Klein beheerde reaktors met soortgelyke vermoëns word in Swede en Kanada ontwikkel. Tussen 1960 en 1972 het die Amerikaanse weermag kompakte waterreaktors gebruik om afgeleë basisse in Groenland en Antarktika aan te dryf. Hulle is deur olieaangedrewe kragsentrales vervang.
Ruimteverkenning
Boonop is reaktore ontwikkel vir kragtoevoer en beweging in die buitenste ruimte. Tussen 1967 en 1988 het die Sowjetunie klein kerninstallasies op die Kosmos-satelliete geïnstalleer om toerusting en telemetrie aan te dryf, maar hierdie beleid het 'n teiken vir kritiek geword. Ten minste een van hierdie satelliete het die aarde se atmosfeer binnegedring, wat gelei het tot radioaktiewe besoedeling van afgeleë gebiede van Kanada. Die Verenigde State het in 1965 net een kernaangedrewe satelliet gelanseer. Projekte vir hul gebruik in diepruimtevlugte, bemande verkenning van ander planete of op 'n permanente maanbasis word egter steeds ontwikkel. Dit sal noodwendig 'n gasverkoelde of vloeibare metaal kernreaktor wees, waarvan die fisiese beginsels die hoogste moontlike temperatuur sal verskaf wat nodig is om die grootte van die verkoeler te minimaliseer. Daarbenewens moet 'n ruimtereaktor so kompak as moontlik wees om die hoeveelheid materiaal waarvoor gebruik word, te minimaliseerafskerming, en om gewig te verminder tydens lansering en ruimtevlug. Die brandstofreserwe sal die werking van die reaktor vir die hele tydperk van die ruimtevlug verseker.
