Naprava i princip rada nuklearnog reaktora zasnivaju se na inicijalizaciji i kontroli samoodržive nuklearne reakcije. Koristi se kao istraživački alat, za proizvodnju radioaktivnih izotopa i kao izvor energije za nuklearne elektrane.
Nuklearni reaktor: kako radi (ukratko)
Ovdje se koristi proces nuklearne fisije, u kojem se teško jezgro raspada na dva manja fragmenta. Ovi fragmenti su u visoko pobuđenom stanju i emituju neutrone, druge subatomske čestice i fotone. Neutroni mogu uzrokovati nove fisije, uslijed kojih se emituje više neutrona itd. Takav kontinuirani samoodrživi niz rascjepa naziva se lančana reakcija. Istovremeno se oslobađa velika količina energije čija je proizvodnja svrha korištenja nuklearnih elektrana.
Princip rada nuklearnog reaktora i nuklearne elektrane je takav da se oko 85% energije fisije oslobađa u vrlo kratkom vremenskom periodu nakon početka reakcije. Ostalo se proizvodi urezultat radioaktivnog raspada produkata fisije nakon što emituju neutrone. Radioaktivni raspad je proces kojim atom dostiže stabilnije stanje. Nastavlja se čak i nakon što je podjela završena.
U atomskoj bombi, lančana reakcija se povećava u intenzitetu sve dok se većina materijala ne podijeli. To se dešava vrlo brzo, proizvodeći izuzetno snažne eksplozije karakteristične za takve bombe. Uređaj i princip rada nuklearnog reaktora zasnivaju se na održavanju lančane reakcije na kontroliranom, gotovo konstantnom nivou. Dizajniran je tako da ne može eksplodirati kao atomska bomba.
Lančana reakcija i kritičnost
Fizika reaktora nuklearne fisije je da je lančana reakcija određena vjerovatnoćom nuklearne fisije nakon emisije neutrona. Ako se populacija potonjeg smanji, tada će stopa fisije na kraju pasti na nulu. U tom slučaju, reaktor će biti u podkritičnom stanju. Ako se populacija neutrona održava na konstantnom nivou, tada će stopa fisije ostati stabilna. Reaktor će biti u kritičnom stanju. I konačno, ako populacija neutrona raste tokom vremena, brzina fisije i snaga će se povećati. Jezgro će postati superkritično.
Princip rada nuklearnog reaktora je sljedeći. Prije lansiranja, populacija neutrona je blizu nule. Operateri tada uklanjaju kontrolne šipke iz jezgre, povećavajući nuklearnu fisiju, koja se privremeno prevodireaktor u superkritično stanje. Nakon postizanja nominalne snage, operateri djelimično vraćaju kontrolne šipke, prilagođavajući broj neutrona. U budućnosti se reaktor održava u kritičnom stanju. Kada ga treba zaustaviti, operateri ubacuju šipke do kraja. Ovo potiskuje fisiju i dovodi jezgro u podkritično stanje.
Vrste reaktora
Većina svjetskih nuklearnih instalacija proizvodi energiju, stvarajući toplinu potrebnu za okretanje turbina koje pokreću generatore električne energije. Postoje i mnogi istraživački reaktori, a neke zemlje imaju podmornice na nuklearni pogon ili površinske brodove.
Elektrane
Postoji nekoliko tipova reaktora ovog tipa, ali je dizajn lake vode našao široku primenu. Zauzvrat, može koristiti vodu pod pritiskom ili kipuću vodu. U prvom slučaju, tekućina pod visokim pritiskom zagrijava se toplinom jezgre i ulazi u generator pare. Tamo se toplina iz primarnog kruga prenosi na sekundarni, koji također sadrži vodu. Konačno stvorena para služi kao radni fluid u ciklusu parne turbine.
Reaktor ključajućeg tipa radi na principu direktnog energetskog ciklusa. Voda, prolazeći kroz aktivnu zonu, dovodi se do ključanja na prosječnom nivou pritiska. Zasićena para prolazi kroz niz separatora i sušara koji se nalaze u posudi reaktora, što je dovodi dopregrijano stanje. Pregrijana vodena para se zatim koristi kao radni fluid za okretanje turbine.
Hlađeni plinom visoke temperature
Reaktor sa visokotemperaturnim gasom (HTGR) je nuklearni reaktor čiji se princip rada zasniva na upotrebi mešavine grafita i gorivnih mikrosfera kao goriva. Postoje dva konkurentna dizajna:
- njemački sistem "punila" koji koristi sferične gorivne ćelije prečnika 60 mm, koje su mješavina grafita i goriva u grafitnoj ljusci;
- Američka verzija u obliku grafitnih heksagonalnih prizmi koje se međusobno spajaju da formiraju aktivnu zonu.
U oba slučaja, rashladna tečnost se sastoji od helijuma pod pritiskom od oko 100 atmosfera. U njemačkom sistemu helijum prolazi kroz praznine u sloju sfernih gorivnih elemenata, au američkom kroz rupe u grafitnim prizmama koje se nalaze duž ose centralne zone reaktora. Obje opcije mogu raditi na vrlo visokim temperaturama, jer grafit ima izuzetno visoku temperaturu sublimacije, dok je helijum potpuno hemijski inertan. Vrući helijum se može primeniti direktno kao radni fluid u gasnoj turbini na visokoj temperaturi, ili se njegova toplota može koristiti za stvaranje vodenog ciklusa pare.
Nuklearni reaktor na tečni metal: shema i princip rada
Reaktori na brzim neutronima sa natrijumovim rashladnim sredstvom su dobili veliku pažnju 1960-ih i 1970-ih. Ondačinilo se da je njihova sposobnost da reprodukuju nuklearno gorivo u bliskoj budućnosti neophodna za proizvodnju goriva za nuklearnu industriju koja se brzo razvija. Kada je 1980-ih postalo jasno da je ovo očekivanje nerealno, entuzijazam je izblijedio. Međutim, veći broj reaktora ovog tipa izgrađen je u SAD, Rusiji, Francuskoj, Velikoj Britaniji, Japanu i Njemačkoj. Većina njih radi na uran-dioksidu ili njegovoj mješavini s plutonij-dioksidom. U Sjedinjenim Državama, međutim, najveći uspjeh je bio s metalnim gorivima.
CANDU
Kanada je svoje napore usmjerila na reaktore koji koriste prirodni uranijum. Time se eliminiše potreba za njegovim obogaćivanjem da se pribegne uslugama drugih zemalja. Rezultat ove politike bio je deuterijum-uranijumski reaktor (CANDU). Kontrola i hlađenje u njemu se vrši teškom vodom. Uređaj i princip rada nuklearnog reaktora je da koristi rezervoar sa hladnim D2O na atmosferskom pritisku. Jezgro je probijeno cijevima od legure cirkonijuma sa gorivom od prirodnog uranijuma, kroz koje ga teška voda hladi. Električna energija se proizvodi prenosom toplote fisije u teškoj vodi na rashladnu tečnost koja cirkuliše kroz generator pare. Para u sekundarnom krugu tada prolazi kroz normalan turbinski ciklus.
Istraživačke instalacije
Za naučna istraživanja najčešće se koristi nuklearni reaktor čiji je princip korištenje vodenog hlađenja ilamelarni uranijumski gorivi elementi u obliku sklopova. Može raditi u širokom rasponu nivoa snage, od nekoliko kilovata do stotina megavata. Kako proizvodnja električne energije nije glavni zadatak istraživačkih reaktora, oni se odlikuju generiranom toplinskom energijom, gustinom i nazivnom energijom neutrona u jezgri. Upravo ovi parametri pomažu da se kvantifikuje sposobnost istraživačkog reaktora da sprovede određena istraživanja. Sistemi male snage se obično koriste na univerzitetima u nastavne svrhe, dok su sistemi velike snage potrebni u laboratorijama za istraživanje i razvoj za testiranje materijala i performansi i opšta istraživanja.
Najčešći istraživački nuklearni reaktor čija je struktura i princip rada sljedeći. Njegova aktivna zona nalazi se na dnu velikog dubokog bazena vode. Ovo pojednostavljuje posmatranje i postavljanje kanala kroz koje se neutronski snopovi mogu usmjeravati. Na niskim nivoima snage, nema potrebe za odzračivanjem rashladne tečnosti, jer prirodna konvekcija rashladne tečnosti obezbeđuje dovoljno rasipanje toplote za održavanje bezbednog radnog stanja. Izmjenjivač topline se obično nalazi na površini ili na vrhu bazena gdje se akumulira topla voda.
Brodske instalacije
Originalna i glavna upotreba nuklearnih reaktora je u podmornicama. Njihova glavna prednost jeda, za razliku od sistema za sagorevanje fosilnih goriva, ne zahtevaju vazduh za proizvodnju električne energije. Stoga, nuklearna podmornica može ostati potopljena tokom dugog vremenskog perioda, dok konvencionalna dizel-električna podmornica mora povremeno da se diže na površinu kako bi pokrenula svoje motore u zraku. Nuklearna energija daje stratešku prednost brodovima mornarice. Eliminiše potrebu za dopunom goriva u stranim lukama ili sa ranjivih tankera.
Princip rada nuklearnog reaktora na podmornici je klasificiran. Međutim, poznato je da u SAD koristi visoko obogaćeni uranijum, a usporavanje i hlađenje se vrši laganom vodom. Na dizajn prvog reaktora nuklearne podmornice USS Nautilus snažno su utjecali moćni istraživački objekti. Njegove jedinstvene karakteristike su vrlo velika margina reaktivnosti, koja osigurava dug period rada bez dopunjavanja goriva i mogućnost ponovnog pokretanja nakon zaustavljanja. Elektrana u podmornicama mora biti vrlo tiha da bi se izbjegla detekcija. Da bi se zadovoljile specifične potrebe različitih klasa podmornica, kreirani su različiti modeli elektrana.
Nosači aviona američke mornarice koriste nuklearni reaktor, za čiji princip se vjeruje da je pozajmljen od najvećih podmornica. Detalji njihovog dizajna također nisu objavljeni.
Pored SAD, UK, Francuska, Rusija, Kina i Indija imaju nuklearne podmornice. U svakom slučaju, dizajn nije otkriven, ali se vjeruje da su svi vrlo slični - ovoje posljedica istih zahtjeva za njihove tehničke karakteristike. Rusija takođe ima malu flotu ledolomaca na nuklearni pogon koji imaju iste reaktore kao i sovjetske podmornice.
Industrijske instalacije
Za proizvodnju plutonijuma-239 za oružje koristi se nuklearni reaktor čiji je princip visoka produktivnost uz nisku razinu proizvodnje energije. To je zbog činjenice da dugi boravak plutonijuma u jezgru dovodi do akumulacije neželjenih 240Pu.
Proizvodnja tritijuma
Trenutno, glavni materijal proizveden u takvim sistemima je tricijum (3H ili T), punjenje za hidrogenske bombe. Plutonijum-239 ima dug poluživot od 24.100 godina, tako da zemlje sa arsenalima nuklearnog oružja koje koriste ovaj element obično ga imaju više nego što im je potrebno. Za razliku od 239Pu, tricijum ima poluživot od približno 12 godina. Dakle, da bi se održale potrebne zalihe, ovaj radioaktivni izotop vodika mora se proizvoditi kontinuirano. U SAD-u, Savannah River, Južna Karolina, na primjer, ima nekoliko reaktora teške vode koji proizvode tricij.
Plutajuće pogonske jedinice
Stvoreni su nuklearni reaktori koji mogu obezbijediti električnu energiju i parno grijanje u udaljenim izoliranim područjima. U Rusiji su, na primjer, našli primjenumale elektrane posebno dizajnirane da opslužuju arktičke zajednice. U Kini, postrojenje HTR-10 snage 10 MW opskrbljuje toplinom i strujom istraživački institut gdje se nalazi. Mali kontrolirani reaktori sličnih mogućnosti razvijaju se u Švedskoj i Kanadi. Između 1960. i 1972. godine, američka vojska je koristila kompaktne vodene reaktore za napajanje udaljenih baza na Grenlandu i Antarktiku. Zamijenile su ih elektrane na naftu.
Istraživanje svemira
Pored toga, razvijeni su reaktori za napajanje i kretanje u svemiru. Između 1967. i 1988. Sovjetski Savez je instalirao male nuklearne instalacije na satelitima Kosmos za napajanje opreme i telemetrije, ali je ova politika postala meta kritika. Najmanje jedan od ovih satelita ušao je u Zemljinu atmosferu, što je rezultiralo radioaktivnom kontaminacijom udaljenih područja Kanade. Sjedinjene Države lansirale su samo jedan satelit na nuklearni pogon 1965. godine. Međutim, i dalje se razvijaju projekti za njihovu upotrebu u letovima u duboki svemir, istraživanju drugih planeta s ljudskom posadom ili na stalnoj lunarnoj bazi. To će nužno biti plinski hlađeni ili tečno-metalni nuklearni reaktor, čiji će fizički principi osigurati najvišu moguću temperaturu neophodnu za minimiziranje veličine radijatora. Osim toga, svemirski reaktor bi trebao biti što je moguće kompaktniji kako bi se smanjila količina materijala za koji se koristizaštite, i za smanjenje težine tokom lansiranja i leta u svemir. Rezerva goriva će osigurati rad reaktora za cijeli period svemirskog leta.
