Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor ay batay sa pagsisimula at kontrol ng isang self-sustaining nuclear reaction. Ginagamit ito bilang tool sa pananaliksik, para sa paggawa ng mga radioactive isotopes, at bilang pinagmumulan ng kuryente para sa mga nuclear power plant.
Nuclear reactor: kung paano ito gumagana (sa madaling sabi)
Dito, ginagamit ang proseso ng nuclear fission, kung saan ang isang mabigat na nucleus ay nahahati sa dalawang mas maliliit na fragment. Ang mga fragment na ito ay nasa sobrang excited na estado at naglalabas ng mga neutron, iba pang mga subatomic na particle at photon. Ang mga neutron ay maaaring maging sanhi ng mga bagong fission, bilang isang resulta kung saan mas maraming mga neutron ang ibinubuga, at iba pa. Ang ganitong tuloy-tuloy na serye ng mga paghahati sa sarili ay tinatawag na chain reaction. Kasabay nito, isang malaking halaga ng enerhiya ang inilalabas, na ang produksyon nito ay ang layunin ng paggamit ng mga nuclear power plant.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng nuclear reactor at nuclear power plant ay ang tungkol sa 85% ng fission energy ay inilabas sa loob ng napakaikling panahon pagkatapos ng pagsisimula ng reaksyon. Ang natitira ay ginawa saang resulta ng radioactive decay ng mga produkto ng fission pagkatapos nilang maglabas ng mga neutron. Ang radioactive decay ay ang proseso kung saan ang isang atom ay umabot sa isang mas matatag na estado. Nagpapatuloy ito kahit na matapos ang paghahati.
Sa isang atomic bomb, tumataas ang intensity ng chain reaction hanggang sa mahati ang karamihan sa materyal. Nangyayari ito nang napakabilis, na gumagawa ng napakalakas na mga pagsabog na katangian ng naturang mga bomba. Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor ay batay sa pagpapanatili ng isang chain reaction sa isang kontrolado, halos pare-pareho ang antas. Dinisenyo ito sa paraang hindi ito maaaring sumabog na parang atomic bomb.
Chain reaction at criticality
Ang physics ng isang nuclear fission reactor ay ang chain reaction ay tinutukoy ng probabilidad ng nuclear fission pagkatapos ng emission ng neutrons. Kung ang populasyon ng huli ay bumaba, pagkatapos ay ang fission rate ay bababa sa zero. Sa kasong ito, ang reactor ay nasa subcritical na estado. Kung ang populasyon ng mga neutron ay pinananatili sa isang pare-parehong antas, kung gayon ang rate ng fission ay mananatiling matatag. Ang reactor ay nasa kritikal na kondisyon. At sa wakas, kung ang populasyon ng mga neutron ay lumalaki sa paglipas ng panahon, ang fission rate at kapangyarihan ay tataas. Magiging supercritical ang core.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor ay ang mga sumusunod. Bago ito ilunsad, ang populasyon ng neutron ay malapit sa zero. Pagkatapos ay aalisin ng mga operator ang mga control rod mula sa core, na nagpapataas ng nuclear fission, na pansamantalang nagsasalinreactor sa supercritical na estado. Matapos maabot ang nominal na kapangyarihan, bahagyang ibabalik ng mga operator ang mga control rod, inaayos ang bilang ng mga neutron. Sa hinaharap, ang reaktor ay pinananatili sa isang kritikal na estado. Kapag kailangan itong ihinto, ganap na ipinapasok ng mga operator ang mga tungkod. Pinipigilan nito ang fission at dinadala ang core sa subcritical na estado.
Mga uri ng reactor
Karamihan sa mga instalasyong nuklear sa mundo ay bumubuo ng enerhiya, na bumubuo ng init na kailangan para paikutin ang mga turbine na nagtutulak ng mga electric power generator. Marami ring research reactor, at ang ilang bansa ay may nuclear-powered submarine o surface ship.
Mga power plant
Mayroong ilang uri ng ganitong uri ng mga reactor, ngunit malawak ang paggamit ng disenyo ng light water. Sa turn, maaari itong gumamit ng tubig na may presyon o tubig na kumukulo. Sa unang kaso, ang likido sa ilalim ng mataas na presyon ay pinainit ng init ng core at pumapasok sa generator ng singaw. Doon, ang init mula sa pangunahing circuit ay inililipat sa pangalawa, na naglalaman din ng tubig. Ang nabuong singaw sa huli ay nagsisilbing gumaganang likido sa ikot ng steam turbine.
Ang boiling-type na reactor ay gumagana sa prinsipyo ng direktang ikot ng enerhiya. Ang tubig, na dumadaan sa aktibong zone, ay dinadala sa isang pigsa sa isang average na antas ng presyon. Ang saturated steam ay dumadaan sa isang serye ng mga separator at dryer na matatagpuan sa reactor vessel, na dinadala ito sasobrang init na estado. Ang sobrang init na singaw ay gagamitin bilang gumaganang likido upang paikutin ang turbine.
High Temperature Gas Cooled
Ang High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) ay isang nuclear reactor na ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay batay sa paggamit ng pinaghalong graphite at fuel microspheres bilang gasolina. Mayroong dalawang magkatunggaling disenyo:
- German "filler" system na gumagamit ng 60 mm diameter na spherical fuel cell, na pinaghalong graphite at gasolina sa isang graphite shell;
- American na bersyon sa anyo ng mga graphite hexagonal prism na nagsasalubong upang bumuo ng aktibong sona.
Sa parehong mga kaso, ang coolant ay binubuo ng helium sa presyon na humigit-kumulang 100 atmospheres. Sa sistema ng Aleman, ang helium ay dumadaan sa mga gaps sa layer ng spherical fuel elements, at sa American system, sa pamamagitan ng mga butas sa graphite prisms na matatagpuan sa kahabaan ng axis ng central zone ng reactor. Ang parehong mga opsyon ay maaaring gumana sa napakataas na temperatura, dahil ang grapayt ay may napakataas na temperatura ng sublimation, habang ang helium ay ganap na hindi chemically inert. Maaaring direktang ilapat ang mainit na helium bilang gumaganang fluid sa isang gas turbine sa mataas na temperatura, o ang init nito ay maaaring gamitin upang makabuo ng water cycle steam.
Liquid metal nuclear reactor: scheme at prinsipyo ng operasyon
Ang mga fast neutron reactor na may sodium coolant ay nakatanggap ng maraming atensyon noong 1960s at 1970s. Pagkatapostila ang kanilang kakayahang magparami ng nuclear fuel sa malapit na hinaharap ay kinakailangan para sa produksyon ng gasolina para sa mabilis na umuunlad na industriya ng nukleyar. Nang maging malinaw noong dekada 1980 na ang pag-asang ito ay hindi makatotohanan, nawala ang sigasig. Gayunpaman, ang isang bilang ng mga reactor ng ganitong uri ay itinayo sa USA, Russia, France, Great Britain, Japan at Germany. Karamihan sa kanila ay tumatakbo sa uranium dioxide o sa pinaghalong plutonium dioxide nito. Sa Estados Unidos, gayunpaman, ang pinakamalaking tagumpay ay ang mga metal na panggatong.
CANDU
Itinuon ng
Canada ang mga pagsisikap nito sa mga reactor na gumagamit ng natural na uranium. Tinatanggal nito ang pangangailangan para sa pagpapayaman nito upang magamit ang mga serbisyo ng ibang mga bansa. Ang resulta ng patakarang ito ay ang deuterium-uranium reactor (CANDU). Ang kontrol at paglamig dito ay isinasagawa ng mabigat na tubig. Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor ay ang paggamit ng isang tangke na may malamig na D2O sa atmospheric pressure. Ang core ay tinusok ng mga tubo na gawa sa zirconium alloy na may natural na uranium fuel, kung saan pinalamig ito ng mabigat na tubig. Nagagawa ang kuryente sa pamamagitan ng paglilipat ng init ng fission sa mabigat na tubig sa coolant na pinapalipat-lipat sa pamamagitan ng steam generator. Ang singaw sa pangalawang circuit ay dumadaan sa normal na ikot ng turbine.
Mga pag-install ng pananaliksik
Para sa siyentipikong pananaliksik, ang nuclear reactor ay kadalasang ginagamit, ang prinsipyo nito ay ang paggamit ng water cooling atlamellar uranium fuel elements sa anyo ng mga assemblies. May kakayahang gumana sa malawak na hanay ng mga antas ng kuryente, mula sa ilang kilowatts hanggang daan-daang megawatts. Dahil ang pagbuo ng kuryente ay hindi ang pangunahing gawain ng mga reaktor ng pananaliksik, ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng nabuong thermal energy, density at nominal na enerhiya ng mga neutron sa core. Ang mga parameter na ito ang tumutulong upang mabilang ang kakayahan ng isang reaktor ng pananaliksik na magsagawa ng mga partikular na survey. Ang mga low power system ay karaniwang ginagamit sa mga unibersidad para sa mga layunin ng pagtuturo, habang ang mga high power system ay kailangan sa R&D labs para sa materyal at performance testing at pangkalahatang pananaliksik.
Ang pinakakaraniwang pananaliksik na nuclear reactor, ang istraktura at prinsipyo ng pagpapatakbo nito ay ang mga sumusunod. Ang aktibong sona nito ay matatagpuan sa ilalim ng isang malaking malalim na pool ng tubig. Pinapasimple nito ang pagmamasid at paglalagay ng mga channel kung saan maaaring idirekta ang mga neutron beam. Sa mababang antas ng kapangyarihan, hindi na kailangang dumugo ang coolant, dahil ang natural na convection ng coolant ay nagbibigay ng sapat na pag-aalis ng init upang mapanatili ang isang ligtas na kondisyon ng pagpapatakbo. Ang heat exchanger ay karaniwang matatagpuan sa ibabaw o sa tuktok ng pool kung saan naiipon ang mainit na tubig.
Mga pag-install ng barko
Ang orihinal at pangunahing gamit ng mga nuclear reactor ay sa mga submarino. Ang kanilang pangunahing bentahe ayna, hindi tulad ng fossil fuel combustion system, hindi sila nangangailangan ng hangin upang makabuo ng kuryente. Samakatuwid, ang isang nuclear submarine ay maaaring manatiling lubog sa loob ng mahabang panahon, habang ang isang conventional diesel-electric submarine ay dapat na pana-panahong tumaas sa ibabaw upang simulan ang mga makina nito sa hangin. Ang kapangyarihang nuklear ay nagbibigay ng isang estratehikong kalamangan sa mga barko ng Navy. Tinatanggal nito ang pangangailangang mag-refuel sa mga dayuhang daungan o mula sa mga mahihinang tanker.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor sa isang submarino ay inuri. Gayunpaman, ito ay kilala na sa USA ito ay gumagamit ng mataas na enriched uranium, at ang pagbagal at paglamig ay ginagawa ng magaan na tubig. Ang disenyo ng unang reactor ng nuclear submarine na USS Nautilus ay malakas na naiimpluwensyahan ng makapangyarihang mga pasilidad ng pananaliksik. Ang mga natatanging tampok nito ay isang napakalaking margin ng reaktibiti, na nagsisiguro ng mahabang panahon ng pagpapatakbo nang walang refueling at ang kakayahang mag-restart pagkatapos ng paghinto. Ang power station sa mga subs ay dapat na napakatahimik upang maiwasan ang pagtuklas. Upang matugunan ang mga partikular na pangangailangan ng iba't ibang klase ng mga submarino, ginawa ang iba't ibang modelo ng mga power plant.
Ang mga carrier ng sasakyang panghimpapawid ng US Navy ay gumagamit ng nuclear reactor, na ang prinsipyo ay pinaniniwalaang hiniram mula sa pinakamalaking submarino. Hindi rin inilabas ang mga detalye ng kanilang disenyo.
Bukod sa US, ang UK, France, Russia, China at India ay may mga nuclear submarine. Sa bawat kaso, ang disenyo ay hindi isiniwalat, ngunit pinaniniwalaan na silang lahat ay halos magkapareho - itoay bunga ng parehong mga kinakailangan para sa kanilang mga teknikal na katangian. Ang Russia ay mayroon ding maliit na fleet ng nuclear-powered icebreaker na may parehong reactor gaya ng mga submarino ng Soviet.
Mga pag-install sa industriya
Para sa paggawa ng plutonium-239 na may grade-sa-sandatang mga armas, ginagamit ang isang nuclear reactor, na ang prinsipyo ay mataas ang produktibidad na may mababang antas ng produksyon ng enerhiya. Ito ay dahil sa katotohanan na ang mahabang pananatili ng plutonium sa core ay humahantong sa akumulasyon ng hindi gustong 240Pu.
Tritium production
Sa kasalukuyan, ang pangunahing materyal na ginawa ng naturang mga sistema ay tritium (3H o T), ang singil para sa mga bombang hydrogen. Ang Plutonium-239 ay may mahabang kalahating buhay na 24,100 taon, kaya ang mga bansang may nuclear weapons arsenals na gumagamit ng elementong ito ay may posibilidad na magkaroon ng higit pa nito kaysa sa kailangan nila. Hindi tulad ng 239Pu, ang tritium ay may kalahating buhay na humigit-kumulang 12 taon. Kaya, upang mapanatili ang mga kinakailangang supply, ang radioactive isotope ng hydrogen na ito ay dapat na patuloy na gawin. Sa US, ang Savannah River, South Carolina, halimbawa, ay may ilang heavy water reactor na gumagawa ng tritium.
Floating power unit
Nagawa ang mga nuclear reactor na makapagbibigay ng kuryente at steam heating sa mga malalayong lugar. Sa Russia, halimbawa, natagpuan ang aplikasyonmaliliit na planta ng kuryente na partikular na idinisenyo upang pagsilbihan ang mga komunidad ng Arctic. Sa China, isang 10 MW HTR-10 na planta ang nagsu-supply ng init at kuryente sa research institute kung saan ito matatagpuan. Ang mga maliliit na kinokontrol na reactor na may katulad na mga kakayahan ay ginagawa sa Sweden at Canada. Sa pagitan ng 1960 at 1972, ang US Army ay gumamit ng mga compact water reactor para sa mga remote base sa Greenland at Antarctica. Ang mga ito ay pinalitan ng oil-fired power plants.
Paggalugad sa kalawakan
Bukod dito, ang mga reactor ay binuo para sa power supply at paggalaw sa outer space. Sa pagitan ng 1967 at 1988, nag-install ang Unyong Sobyet ng maliliit na instalasyong nukleyar sa mga satellite ng Kosmos para sa mga kagamitan at telemetry ng kuryente, ngunit ang patakarang ito ay naging target para sa pagpuna. Hindi bababa sa isa sa mga satellite na ito ang pumasok sa atmospera ng Earth, na nagresulta sa radioactive contamination ng mga malalayong lugar ng Canada. Ang Estados Unidos ay naglunsad lamang ng isang nuclear-powered satellite noong 1965. Gayunpaman, ang mga proyekto para sa kanilang paggamit sa mga deep space flight, manned exploration ng ibang mga planeta, o sa isang permanenteng lunar base ay patuloy na ginagawa. Ito ay kinakailangang isang gas-cooled o liquid-metal nuclear reactor, ang mga pisikal na prinsipyo nito ay magbibigay ng pinakamataas na posibleng temperatura na kinakailangan upang mabawasan ang laki ng radiator. Bilang karagdagan, ang isang space reactor ay dapat na kasing siksik hangga't maaari upang mabawasan ang dami ng materyal na ginamit para sashielding, at upang mabawasan ang timbang sa panahon ng paglulunsad at paglipad sa kalawakan. Titiyakin ng reserbang gasolina ang paggana ng reactor sa buong panahon ng paglipad sa kalawakan.
