Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear se bazează pe inițializarea și controlul unei reacții nucleare autosusținute. Este folosit ca instrument de cercetare, pentru producerea de izotopi radioactivi și ca sursă de energie pentru centralele nucleare.
Reactor nuclear: cum funcționează (pe scurt)
Aici se folosește procesul de fisiune nucleară, în care un nucleu greu se rupe în două fragmente mai mici. Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni. Neutronii pot provoca noi fisiuni, în urma cărora sunt emiși mai mulți neutroni și așa mai departe. O astfel de serie continuă de divizări auto-susținută se numește reacție în lanț. În același timp, se eliberează o cantitate mare de energie, a cărei producere este scopul utilizării centralelor nucleare.
Principiul de funcționare a unui reactor nuclear și a unei centrale nucleare este de așa natură încât aproximativ 85% din energia de fisiune este eliberată într-o perioadă foarte scurtă de timp după începerea reacției. Restul este produs înrezultatul dezintegrarii radioactive a produselor de fisiune dupa ce au emis neutroni. Dezintegrarea radioactivă este procesul prin care un atom ajunge într-o stare mai stabilă. Continuă chiar și după finalizarea diviziunii.
Într-o bombă atomică, reacția în lanț crește în intensitate până când cea mai mare parte a materialului este divizată. Acest lucru se întâmplă foarte repede, producând exploziile extrem de puternice caracteristice unor astfel de bombe. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear se bazează pe menținerea unei reacții în lanț la un nivel controlat, aproape constant. Este proiectat în așa fel încât să nu poată exploda ca o bombă atomică.
Reacție în lanț și criticitate
Fizica unui reactor de fisiune nucleară este că reacția în lanț este determinată de probabilitatea de fisiune nucleară după emisia de neutroni. Dacă populația acestuia din urmă scade, atunci rata de fisiune va scădea în cele din urmă la zero. În acest caz, reactorul va fi într-o stare subcritică. Dacă populația de neutroni este menținută la un nivel constant, atunci rata de fisiune va rămâne stabilă. Reactorul va fi în stare critică. Și, în sfârșit, dacă populația de neutroni crește în timp, rata de fisiune și puterea vor crește. Nucleul va deveni supercritic.
Principiul de funcționare a unui reactor nuclear este următorul. Înainte de lansare, populația de neutroni este aproape de zero. Operatorii scot apoi tijele de control din miez, crescând fisiunea nucleară, care se traduce temporarreactorul la starea supercritică. După atingerea puterii nominale, operatorii returnează parțial tijele de comandă, ajustând numărul de neutroni. În viitor, reactorul este menținut într-o stare critică. Când trebuie oprit, operatorii introduc tijele complet. Acest lucru suprimă fisiunea și aduce miezul într-o stare subcritică.
Tipuri de reactoare
Majoritatea instalațiilor nucleare din lume generează energie, generând căldura necesară pentru a transforma turbinele care antrenează generatoarele de energie electrică. Există, de asemenea, multe reactoare de cercetare, iar unele țări au submarine sau nave de suprafață cu propulsie nucleară.
Centrale electrice
Există mai multe tipuri de reactoare de acest tip, dar designul cu apă ușoară a găsit o aplicație largă. La rândul său, poate folosi apă sub presiune sau apă clocotită. În primul caz, lichidul sub presiune mare este încălzit de căldura miezului și intră în generatorul de abur. Acolo, căldura din circuitul primar este transferată în secundar, care conține și apă. Aburul generat în cele din urmă servește drept fluid de lucru în ciclul turbinei cu abur.
Reactorul de tip fierbere funcționează pe principiul unui ciclu energetic direct. Apa, care trece prin zona activă, este adusă la fierbere la un nivel mediu de presiune. Aburul saturat trece printr-o serie de separatoare și uscătoare situate în vasul reactorului, ceea ce îl aduce lastare supraîncălzită. Vaporii de apă supraîncălziți sunt apoi utilizați ca fluid de lucru pentru a transforma o turbină.
Răcit cu gaz la temperatură în altă
Reactorul răcit cu gaz la temperatură în altă (HTGR) este un reactor nuclear al cărui principiu de funcționare se bazează pe utilizarea unui amestec de microsfere de grafit și combustibil drept combustibil. Există două modele concurente:
- Sistem german „de umplere” care folosește pile de combustibil sferice cu diametrul de 60 mm, care sunt un amestec de grafit și combustibil într-o carcasă de grafit;
- Versiune americană sub formă de prisme hexagonale din grafit care se întrepătrund pentru a forma o zonă activă.
În ambele cazuri, lichidul de răcire este format din heliu la o presiune de aproximativ 100 de atmosfere. În sistemul german, heliul trece prin goluri din stratul de elemente de combustibil sferice, iar în sistemul american, prin găuri în prisme de grafit situate de-a lungul axei zonei centrale a reactorului. Ambele opțiuni pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, deoarece grafitul are o temperatură de sublimare extrem de ridicată, în timp ce heliul este complet inert din punct de vedere chimic. Heliul fierbinte poate fi aplicat direct ca fluid de lucru într-o turbină cu gaz la temperatură ridicată sau căldura acestuia poate fi folosită pentru a genera abur ciclului apei.
Reactor nuclear cu metal lichid: schema și principiul de funcționare
Reactoarele cu neutroni rapidi cu lichid de răcire cu sodiu au primit multă atenție în anii 1960 și 1970. Apoise părea că capacitatea lor de a reproduce combustibilul nuclear în viitorul apropiat era necesară pentru producerea de combustibil pentru industria nucleară în dezvoltare rapidă. Când a devenit clar în anii 1980 că această așteptare era nerealistă, entuziasmul a dispărut. Cu toate acestea, o serie de reactoare de acest tip au fost construite în SUA, Rusia, Franța, Marea Britanie, Japonia și Germania. Cele mai multe dintre ele funcționează cu dioxid de uraniu sau amestecul acestuia cu dioxid de plutoniu. În Statele Unite, însă, cel mai mare succes l-au avut combustibilii metalici.
CANDU
Canada și-a concentrat eforturile asupra reactoarelor care folosesc uraniu natural. Acest lucru elimină necesitatea îmbogățirii sale de a recurge la serviciile altor țări. Rezultatul acestei politici a fost reactorul deuteriu-uraniu (CANDU). Controlul și răcirea în el se efectuează cu apă grea. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear este utilizarea unui rezervor cu D2O rece la presiunea atmosferică. Miezul este străpuns de țevi din aliaj de zirconiu cu combustibil natural de uraniu, prin care apa grea îl răcește. Electricitatea este produsă prin transferul căldurii de fisiune în apa grea la lichidul de răcire care circulă prin generatorul de abur. Aburul din circuitul secundar trece apoi prin ciclul normal al turbinei.
Instalații de cercetare
Pentru cercetarea științifică, cel mai des este folosit un reactor nuclear, al cărui principiu este utilizarea răcirii cu apă șielemente combustibile lamelare de uraniu sub formă de ansambluri. Capabil să funcționeze pe o gamă largă de niveluri de putere, de la câțiva kilowați la sute de megawați. Deoarece generarea de energie nu este sarcina principală a reactoarelor de cercetare, acestea se caracterizează prin energia termică generată, densitatea și energia nominală a neutronilor din miez. Acești parametri ajută la cuantificarea capacității unui reactor de cercetare de a efectua studii specifice. Sistemele de putere redusă sunt utilizate de obicei în universități în scopuri didactice, în timp ce sistemele de putere mare sunt necesare în laboratoarele de cercetare și dezvoltare pentru testarea materialelor și a performanței și cercetarea generală.
Cel mai comun reactor nuclear de cercetare, a cărui structură și principiu de funcționare sunt după cum urmează. Zona sa activă este situată pe fundul unui bazin mare de apă adânc. Acest lucru simplifică observarea și plasarea canalelor prin care pot fi direcționate fasciculele de neutroni. La niveluri scăzute de putere, nu este nevoie să scurgeți lichidul de răcire, deoarece convecția naturală a lichidului de răcire asigură o disipare suficientă a căldurii pentru a menține o stare de funcționare sigură. Schimbătorul de căldură este de obicei situat la suprafață sau în partea de sus a piscinei, unde se acumulează apă caldă.
Instalări de nave
Utilizarea originală și principală a reactoarelor nucleare este în submarine. Principalul lor avantaj estecă, spre deosebire de sistemele de ardere a combustibililor fosili, acestea nu necesită aer pentru a genera electricitate. Prin urmare, un submarin nuclear poate rămâne scufundat pentru perioade lungi de timp, în timp ce un submarin diesel-electric convențional trebuie să iasă periodic la suprafață pentru a-și porni motoarele în aer. Energia nucleară oferă un avantaj strategic navelor Marinei. Elimină necesitatea realimentării în porturi străine sau din nave-cisternă vulnerabile.
Principiul de funcționare a unui reactor nuclear pe submarin este clasificat. Cu toate acestea, se știe că în SUA folosește uraniu foarte îmbogățit, iar încetinirea și răcirea se face cu apă ușoară. Designul primului reactor al submarinului nuclear USS Nautilus a fost puternic influențat de facilități puternice de cercetare. Caracteristicile sale unice sunt o marjă de reactivitate foarte mare, care asigură o perioadă lungă de funcționare fără realimentare și capacitatea de a reporni după o oprire. Centrala electrică din submarine trebuie să fie foarte silențioasă pentru a evita detectarea. Pentru a răspunde nevoilor specifice ale diferitelor clase de submarine, au fost create diferite modele de centrale electrice.
Portavioanele marinei americane folosesc un reactor nuclear, al cărui principiu se crede că este împrumutat de la cele mai mari submarine. Nici detaliile despre designul lor nu au fost făcute publice.
Pe lângă SUA, Regatul Unit, Franța, Rusia, China și India au submarine nucleare. În fiecare caz, designul nu a fost dezvăluit, dar se crede că toate sunt foarte asemănătoare - aceastaeste o consecință a acelorași cerințe pentru caracteristicile lor tehnice. Rusia are, de asemenea, o flotă mică de spărgătoare de gheață cu propulsie nucleară, care au aceleași reactoare ca submarinele sovietice.
Instalații industriale
Pentru producerea de plutoniu-239 de calitate pentru arme, se folosește un reactor nuclear, al cărui principiu este productivitatea ridicată cu un nivel scăzut de producție de energie. Acest lucru se datorează faptului că o ședere lungă a plutoniului în miez duce la acumularea nedorite de 240Pu.
Producție de trițiu
În prezent, principalul material produs de astfel de sisteme este tritiul (3H sau T), taxa pentru bombele cu hidrogen. Plutoniul-239 are un timp de înjumătățire lung de 24.100 de ani, așa că țările cu arsenale de arme nucleare care folosesc acest element tind să aibă mai mult decât au nevoie. Spre deosebire de 239Pu, tritiul are un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani. Astfel, pentru a menține rezervele necesare, acest izotop radioactiv al hidrogenului trebuie produs continuu. În SUA, Savannah River, Carolina de Sud, de exemplu, are mai multe reactoare cu apă grea care produc tritiu.
Unități de putere plutitoare
Au fost create reactoare nucleare care pot furniza energie electrică și încălzire cu abur în zone izolate îndepărtate. În Rusia, de exemplu, au găsit aplicațiecentrale electrice mici special concepute pentru a deservi comunitățile arctice. În China, o centrală HTR-10 de 10 MW furnizează căldură și energie către institutul de cercetare unde se află. Reactoarele mici controlate cu capacități similare sunt dezvoltate în Suedia și Canada. Între 1960 și 1972, armata SUA a folosit reactoare compacte cu apă pentru a alimenta bazele îndepărtate din Groenlanda și Antarctica. Acestea au fost înlocuite cu centrale electrice pe bază de petrol.
Explorarea spațiului
În plus, au fost dezvoltate reactoare pentru alimentarea cu energie și deplasarea în spațiul cosmic. Între 1967 și 1988, Uniunea Sovietică a instalat mici instalații nucleare pe sateliții Kosmos pentru a alimenta echipamente și telemetrie, dar această politică a devenit o țintă a criticilor. Cel puțin unul dintre acești sateliți a intrat în atmosfera Pământului, ducând la contaminarea radioactivă a zonelor îndepărtate ale Canadei. Statele Unite au lansat un singur satelit cu propulsie nucleară în 1965. Cu toate acestea, proiectele pentru utilizarea lor în zboruri în spațiul profund, explorarea cu echipaj uman a altor planete sau pe o bază lunară permanentă continuă să fie dezvoltate. Va fi neapărat un reactor nuclear răcit cu gaz sau metal lichid, ale cărui principii fizice vor asigura cea mai mare temperatură posibilă necesară pentru a minimiza dimensiunea radiatorului. În plus, un reactor spațial ar trebui să fie cât mai compact posibil pentru a minimiza cantitatea de material utilizatăecranare și pentru a reduce greutatea în timpul lansării și zborului în spațiu. Rezerva de combustibil va asigura funcționarea reactorului pe toată perioada zborului spațial.
