Kodolreaktora ierīce un darbības princips ir balstīti uz pašpietiekamas kodolreakcijas inicializāciju un kontroli. To izmanto kā pētniecības instrumentu, radioaktīvo izotopu ražošanai un kā enerģijas avotu atomelektrostacijām.
Kodolreaktors: kā tas darbojas (īsi)
Šeit tiek izmantots kodola skaldīšanas process, kurā smagais kodols sadalās divos mazākos fragmentos. Šie fragmenti ir ļoti ierosinātā stāvoklī un izstaro neitronus, citas subatomiskas daļiņas un fotonus. Neitroni var izraisīt jaunas skaldīšanas, kā rezultātā tiek emitēts vairāk neitronu utt. Šāda nepārtraukta pašpietiekama šķelšanās sērija tiek saukta par ķēdes reakciju. Tajā pašā laikā izdalās liels daudzums enerģijas, kuras ražošana ir atomelektrostaciju izmantošanas mērķis.
Kodolreaktora un atomelektrostacijas darbības princips ir tāds, ka aptuveni 85% no skaldīšanas enerģijas tiek atbrīvoti ļoti īsā laika periodā pēc reakcijas sākuma. Pārējais tiek ražotsdalīšanās produktu radioaktīvās sabrukšanas rezultāts pēc tam, kad tie ir emitējuši neitronus. Radioaktīvā sabrukšana ir process, kurā atoms sasniedz stabilāku stāvokli. Tas turpinās pat pēc dalīšanas pabeigšanas.
Atombumbā ķēdes reakcijas intensitāte palielinās, līdz tiek sadalīta lielākā daļa materiāla. Tas notiek ļoti ātri, izraisot ārkārtīgi spēcīgus sprādzienus, kas raksturīgi šādām bumbām. Kodolreaktora ierīce un darbības princips ir balstīts uz ķēdes reakcijas uzturēšanu kontrolētā, gandrīz nemainīgā līmenī. Tas ir izstrādāts tā, lai tas nevarētu eksplodēt kā atombumba.
Ķēdes reakcija un kritiskums
Kodolskaldīšanas reaktora fizika ir tāda, ka ķēdes reakciju nosaka kodola skaldīšanas varbūtība pēc neitronu emisijas. Ja pēdējo iedzīvotāju skaits samazinās, tad skaldīšanas ātrums galu galā samazināsies līdz nullei. Šajā gadījumā reaktors būs subkritiskā stāvoklī. Ja neitronu populācija tiek uzturēta nemainīgā līmenī, tad skaldīšanas ātrums saglabāsies stabils. Reaktors būs kritiskā stāvoklī. Un visbeidzot, ja neitronu populācija laika gaitā palielinās, dalīšanās ātrums un jauda palielināsies. Kodols kļūs superkritisks.
Kodolreaktora darbības princips ir šāds. Pirms palaišanas neitronu populācija ir tuvu nullei. Pēc tam operatori noņem vadības stieņus no kodola, palielinot kodola skaldīšanu, kas īslaicīgi pārvēršasreaktors nonāk superkritiskajā stāvoklī. Pēc nominālās jaudas sasniegšanas operatori daļēji atdod vadības stieņus, regulējot neitronu skaitu. Nākotnē reaktors tiks uzturēts kritiskā stāvoklī. Kad tas ir jāaptur, operatori ievieto stieņus pilnībā. Tas nomāc skaldīšanu un noved kodolu subkritiskā stāvoklī.
Reaktoru veidi
Lielākā daļa pasaules kodoliekārtu ražo enerģiju, ģenerējot siltumu, kas nepieciešams, lai pagrieztu turbīnas, kas darbina elektroenerģijas ģeneratorus. Ir arī daudz pētniecības reaktoru, un dažās valstīs ir ar kodolenerģiju darbināmas zemūdenes vai virszemes kuģi.
Elektroelektrostacijas
Ir vairāki šāda veida reaktoru veidi, taču vieglā ūdens dizains ir atradis plašu pielietojumu. Savukārt tas var izmantot zem spiediena ūdeni vai verdošu ūdeni. Pirmajā gadījumā šķidrums zem augsta spiediena tiek uzkarsēts ar serdes siltumu un nonāk tvaika ģeneratorā. Tur siltums no primārās ķēdes tiek pārnests uz sekundāro, kurā ir arī ūdens. Galu galā radītais tvaiks kalpo kā darba šķidrums tvaika turbīnas ciklā.
Vārīšanās tipa reaktors darbojas pēc tiešā enerģijas cikla principa. Ūdens, kas iet cauri aktīvajai zonai, tiek uzkarsēts līdz vārīšanās temperatūrai vidējā spiediena līmenī. Piesātināts tvaiks iet caur virkni separatoru un žāvētāju, kas atrodas reaktora traukā, kas to nogādāpārkarsēts stāvoklis. Pēc tam pārkarsētos ūdens tvaikus izmanto kā darba šķidrumu, lai pagrieztu turbīnu.
Augstas temperatūras gāzes dzesēšana
High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) ir kodolreaktors, kura darbības princips ir balstīts uz grafīta un degvielas mikrosfēru maisījuma izmantošanu kā degvielu. Ir divi konkurējoši modeļi:
- Vācijas "pildīšanas" sistēma, kas izmanto 60 mm diametra sfēriskas degvielas šūnas, kas ir grafīta un degvielas maisījums grafīta apvalkā;
- Amerikāņu versija grafīta sešstūra prizmu veidā, kas savstarpēji savienojas, veidojot aktīvu zonu.
Abos gadījumos dzesēšanas šķidrums sastāv no hēlija, kura spiediens ir aptuveni 100 atmosfēras. Vācijas sistēmā hēlijs iet caur spraugām sfērisko degvielas elementu slānī, bet amerikāņu sistēmā - caur caurumiem grafīta prizmās, kas atrodas gar reaktora centrālās zonas asi. Abas iespējas var darboties ļoti augstā temperatūrā, jo grafītam ir ārkārtīgi augsta sublimācijas temperatūra, savukārt hēlijs ir pilnīgi ķīmiski inerts. Karstu hēliju var izmantot tieši kā darba šķidrumu gāzturbīnā augstā temperatūrā, vai arī tā siltumu var izmantot, lai radītu ūdens cikla tvaiku.
Šķidro metāla kodolreaktors: shēma un darbības princips
Ātro neitronu reaktoriem ar nātrija dzesēšanas šķidrumu tika pievērsta liela uzmanība 1960. un 1970. gados. Tadšķita, ka viņu spēja tuvākajā nākotnē reproducēt kodoldegvielu bija nepieciešama degvielas ražošanai strauji attīstošajai kodolrūpniecībai. Kad astoņdesmitajos gados kļuva skaidrs, ka šīs cerības ir nereālas, entuziasms izgaisa. Taču vairāki šāda veida reaktori ir uzbūvēti ASV, Krievijā, Francijā, Lielbritānijā, Japānā un Vācijā. Lielākā daļa no tiem darbojas ar urāna dioksīdu vai tā maisījumu ar plutonija dioksīdu. Tomēr Amerikas Savienotajās Valstīs vislielākos panākumus guvuši ar metāliskām degvielām.
CANDU
Kanāda ir koncentrējusi savus centienus uz reaktoriem, kuros izmanto dabisko urānu. Tas novērš nepieciešamību tās bagātināšanai izmantot citu valstu pakalpojumus. Šīs politikas rezultāts bija deitērija-urāna reaktors (CANDU). Kontroli un dzesēšanu tajā veic smagais ūdens. Kodolreaktora ierīce un darbības princips ir izmantot tvertni ar aukstu D2O pie atmosfēras spiediena. Kodols ir caurdurts ar caurulēm, kas izgatavotas no cirkonija sakausējuma ar dabīgo urāna degvielu, caur kurām smagais ūdens to atdzesē. Elektroenerģija tiek ražota, pārnesot dalīšanās siltumu smagajā ūdenī uz dzesēšanas šķidrumu, kas tiek cirkulēts caur tvaika ģeneratoru. Pēc tam tvaiks sekundārajā ķēdē iziet cauri parastajam turbīnas ciklam.
Izpētes instalācijas
Zinātniskajiem pētījumiem visbiežāk izmanto kodolreaktoru, kura darbības princips ir izmantot ūdens dzesēšanu unslāņveida urāna degvielas elementi mezglu veidā. Spēj darboties plašā jaudas diapazonā no dažiem kilovatiem līdz simtiem megavatu. Tā kā elektroenerģijas ražošana nav galvenais pētniecības reaktoru uzdevums, tos raksturo kodolā esošo neitronu radītā siltumenerģija, blīvums un nominālā enerģija. Tieši šie parametri palīdz kvantitatīvi noteikt pētniecības reaktora spēju veikt konkrētas aptaujas. Mazjaudas sistēmas parasti izmanto universitātēs mācību nolūkos, savukārt lieljaudas sistēmas ir nepieciešamas pētniecības un izstrādes laboratorijās materiālu un veiktspējas testēšanai un vispārējai izpētei.
Visizplatītākais pētniecības kodolreaktors, kura uzbūve un darbības princips ir šāds. Tās aktīvā zona atrodas liela dziļa ūdens baseina dibenā. Tas vienkāršo kanālu novērošanu un izvietošanu, caur kuriem var virzīt neitronu starus. Pie zema jaudas līmeņa dzesēšanas šķidruma atgaisošana nav nepieciešama, jo dzesēšanas šķidruma dabiskā konvekcija nodrošina pietiekamu siltuma izkliedi, lai uzturētu drošu ekspluatācijas stāvokli. Siltummainis parasti atrodas uz baseina virsmas vai augšpusē, kur uzkrājas karstais ūdens.
Kuģu uzstādīšana
Sākotnējais un galvenais kodolreaktoru lietojums ir zemūdenēs. To galvenā priekšrocība irka atšķirībā no fosilā kurināmā sadedzināšanas sistēmām tām nav nepieciešams gaiss elektroenerģijas ražošanai. Tāpēc kodolzemūdene var palikt iegremdēta ilgu laiku, savukārt parastajai dīzeļa-elektriskajai zemūdenei periodiski jāpaceļas virszemē, lai iedarbinātu dzinējus gaisā. Kodolenerģija dod stratēģiskas priekšrocības Jūras spēku kuģiem. Tas novērš nepieciešamību uzpildīt degvielu ārvalstu ostās vai no neaizsargātiem tankkuģiem.
Zemūdenes kodolreaktora darbības princips ir klasificēts. Taču ir zināms, ka ASV tas izmanto augsti bagātinātu urānu, bet bremzēšanu un dzesēšanu veic viegls ūdens. Kodolzemūdenes USS Nautilus pirmā reaktora dizainu spēcīgi ietekmēja spēcīgas pētniecības iekārtas. Tās unikālās īpašības ir ļoti liela reaktivitātes rezerve, kas nodrošina ilgu darbības periodu bez degvielas uzpildes un iespēju restartēt pēc apstāšanās. Zemūdens spēkstacijai jābūt ļoti klusai, lai izvairītos no atklāšanas. Lai apmierinātu dažādu klašu zemūdeņu specifiskās vajadzības, tika izveidoti dažādi spēkstaciju modeļi.
ASV Jūras spēku aviācijas bāzes kuģi izmanto kodolreaktoru, kura darbības princips, domājams, ir aizgūts no lielākajām zemūdenēm. Sīkāka informācija par to dizainu arī nav publicēta.
Papildus ASV kodolzemūdenes ir Apvienotajai Karalistei, Francijai, Krievijai, Ķīnai un Indijai. Katrā gadījumā dizains netika izpausts, taču tiek uzskatīts, ka tie visi ir ļoti līdzīgi – šisir rezultāts vienādām prasībām attiecībā uz to tehniskajiem parametriem. Krievijai ir arī neliela ar kodolenerģiju darbināmu ledlaužu flote, kam ir tādi paši reaktori kā padomju zemūdenēm.
Rūpnieciskās iekārtas
Ieroču kvalitātes plutonija-239 ražošanai tiek izmantots kodolreaktors, kura darbības princips ir augsta produktivitāte ar zemu enerģijas ražošanas līmeni. Tas ir saistīts ar faktu, ka ilgstoša plutonija atrašanās kodolā noved pie nevēlama 240Pu.
Tritija ražošana
Šobrīd galvenais materiāls, ko ražo šādas sistēmas, ir tritijs (3H vai T), ūdeņraža bumbu lādiņš. Plutonija-239 pussabrukšanas periods ir 24 100 gadi, tāpēc valstīs, kurās ir kodolieroču arsenāls, kas izmanto šo elementu, tā parasti ir vairāk nekā nepieciešams. Atšķirībā no 239Pu, tritija pussabrukšanas periods ir aptuveni 12 gadi. Tādējādi, lai uzturētu nepieciešamos krājumus, šis radioaktīvais ūdeņraža izotops ir jāražo nepārtraukti. Piemēram, ASV Savannas upē, Dienvidkarolīnā, ir vairāki smagā ūdens reaktori, kas ražo tritiju.
Peldošie spēka bloki
Ir izveidoti kodolreaktori, kas var nodrošināt elektrību un tvaika apkuri attālās izolētās vietās. Piemēram, Krievijā ir atrasts pielietojumsmazas spēkstacijas, kas īpaši paredzētas Arktikas kopienu apkalpošanai. Ķīnā 10 MW HTR-10 stacija piegādā siltumu un elektroenerģiju pētniecības institūtam, kurā tā atrodas. Mazi vadāmi reaktori ar līdzīgām iespējām tiek izstrādāti Zviedrijā un Kanādā. No 1960. līdz 1972. gadam ASV armija izmantoja kompaktus ūdens reaktorus, lai darbinātu attālās bāzes Grenlandē un Antarktīdā. Tās ir aizstātas ar ar naftu darbināmām elektrostacijām.
Kosmosa izpēte
Turklāt ir izstrādāti reaktori elektroenerģijas padevei un kustībai kosmosā. No 1967. līdz 1988. gadam Padomju Savienība Kosmos satelītos uzstādīja nelielas kodoliekārtas, lai darbinātu aprīkojumu un telemetriju, taču šī politika kļuva par kritikas mērķi. Vismaz viens no šiem satelītiem iekļuva Zemes atmosfērā, kā rezultātā Kanādas attālos apgabalos tika piesārņots radioaktīvais piesārņojums. ASV 1965. gadā palaida tikai vienu ar kodolenerģiju darbināmu satelītu. Tomēr joprojām tiek izstrādāti projekti to izmantošanai dziļajos kosmosa lidojumos, citu planētu pilotētai izpētei vai pastāvīgai Mēness bāzei. Tas noteikti būs ar gāzi dzesējams vai šķidro metālu kodolreaktors, kura fizikālie principi nodrošinās augstāko iespējamo temperatūru, kas nepieciešama radiatora izmēra samazināšanai. Turklāt kosmosa reaktoram jābūt pēc iespējas kompaktam, lai samazinātu izmantotā materiāla daudzumuvairogs un svara samazināšana palaišanas un kosmosa lidojuma laikā. Degvielas rezerve nodrošinās reaktora darbību visā kosmosa lidojuma laikā.
