Lò phản ứng hạt nhân: nguyên tắc hoạt động, và các mạch đơn vị

Thiết kế và vận hành một lò phản ứng hạt nhân dựa trên khởi tạo và kiểm soát phản ứng hạt nhân tự duy trì. Nó được sử dụng như một công cụ nghiên cứu để sản xuất đồng vị phóng xạ và như một nguồn năng lượng cho các nhà máy điện hạt nhân.

lò phản ứng hạt nhân: nguyên tắc hoạt động (viết tắt)

Sử dụng ở đây quá trình phân hạch trong đó một hạt nhân nặng chia tách thành hai mảnh nhỏ hơn. Những mảnh vỡ đang ở trong một tình trạng rất phấn khởi và phát ra neutron, và hạt hạ nguyên tử khác và photon. Neutron có thể gây chia rẽ mới như là kết quả trong đó chúng được giải phóng nhiều hơn, và như vậy. Đây số tự duy trì liên tục của disintegrations gọi là phản ứng dây chuyền. Cùng lúc đó, một lượng lớn năng lượng, sản xuất trong số đó là mục đích của việc sử dụng điện hạt nhân.

Nguyên tắc hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân và một nhà máy điện hạt nhân là như vậy mà 85% năng lượng thuộc địa tách được phát hành trong một thời gian rất ngắn sau khi bắt đầu phản ứng. Phần còn lại là sản phẩm của sự phân rã phóng xạ của sản phẩm phân hạch, sau khi họ từ chối neutron. phân rã phóng xạ là quá trình trong đó các nguyên tử đạt đến một trạng thái ổn định. Ông tiếp tục và sau khi phân chia.

Các phản ứng dây chuyền bom nguyên tử làm tăng cường độ, cho đến khi hầu hết các tài liệu sẽ được chia. Điều này xảy ra rất nhanh chóng, tạo ra một vụ nổ cực kỳ mạnh mẽ đặc trưng của quả bom như vậy. Cơ chế và hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân dựa trên nguyên tắc của việc duy trì các phản ứng dây chuyền về mặt kĩ gần như liên tục quy định. Nó được thiết kế để phát nổ quả bom nguyên tử như không thể.

Chain Reaction và những lời chỉ trích

Vật lý phân hạch lò phản ứng được xác định rằng một xác suất phản ứng dây chuyền sau khi phát neutron phân hạch hạt nhân. Nếu dân số gần đây giảm, tỷ lệ phân chia cuối cùng sẽ giảm xuống bằng không. Trong trường hợp này các lò phản ứng sẽ được ở một trạng thái tới hạn. Nếu dân số neutron được duy trì ở mức ổn định, tỷ lệ phân hạch sẽ vẫn ổn định. Các lò phản ứng sẽ được trong tình trạng nguy kịch. Và cuối cùng, nếu theo thời gian dân số neutron phát triển, phân chia tốc độ và sức mạnh sẽ tăng lên. nhà nước lõi trở thành siêu tới hạn.

Nguyên tắc hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân tiếp theo. Trước khi bắt đầu dân số nơtron là gần bằng không. Sau đó, các nhà khai thác loại bỏ các thanh điều khiển từ lõi, tăng các lõi bộ phận tạm thời chuyển đổi các lò phản ứng trong tình trạng siêu tới hạn. Sau khi thống nhất các nhà khai thác sức mạnh đánh giá phần nào trở thanh điều khiển, điều chỉnh lượng neutron. Sau đó các lò phản ứng được duy trì trong tình trạng nguy kịch. Khi nó là cần thiết để ngăn chặn, các nhà điều hành chèn thanh hoàn toàn. Đây ngăn chặn sự phân chia và đặt cốt lõi trong trạng thái tới hạn.

loại lò phản ứng

Hầu hết các năng lượng hiện đang tạo ra sức nóng cần thiết để lái xe tua bin, mà lái máy phát điện của cơ sở hạt nhân trên thế giới. Ngoài ra, có rất nhiều lò phản ứng nghiên cứu, và một số quốc gia có tàu ngầm hoặc tàu nổi, thúc đẩy bởi năng lượng của nguyên tử.

nhà máy điện

Có một số loài thuộc loại này của lò phản ứng, nhưng chấp nhận rộng rãi thiết kế của nước nhẹ. Đến lượt mình, nó có thể được sử dụng trong nước áp lực hoặc nước sôi. Trong trường hợp đầu tiên chất lỏng áp suất cao làm nóng bởi nhiệt của lõi và đi vào máy phát điện hơi nước. Ở đó, sức nóng từ tiểu học đến các mạch thứ cấp được thông qua, hơn nữa bao gồm nước. Hơi nước được tạo ra cuối cùng đóng vai trò như chất lỏng làm việc trong chu trình tuabin hơi nước.

Các lò phản ứng là một loại sôi hoạt động trên nguyên tắc của chu kỳ năng lượng trực tiếp. Nước đi qua lõi, đưa đến một đun sôi so với mực nước áp lực trung bình. hơi nước bão hòa đi qua một loạt các dải phân cách và máy sấy được xử lý trong thùng lò phản ứng, dẫn đến tình trạng sverhperegretoe của nó. sau đó hơi quá nhiệt được sử dụng như chất lỏng làm việc, tuabin quay.

Nhiệt độ cao làm mát bằng khí

lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng khí (HTGR) - một lò phản ứng hạt nhân, nguyên tắc hoạt động dựa trên việc sử dụng than chì như một hỗn hợp nhiên liệu nhiên liệu và siêu nhỏ. Có hai kiểu dáng cạnh tranh:

• Đức hệ thống "Loose điền", trong đó sử dụng một yếu tố nhiên liệu cầu 60 mm đường kính, bao gồm một hỗn hợp của nhiên liệu và than chì trong một vỏ graphite;
• phiên bản Mỹ của một lăng trụ lục giác graphite rằng đan để tạo ra cốt lõi.

Trong cả hai trường hợp, các chất lỏng làm mát bao gồm helium dưới áp suất khoảng 100 atmosphere. Hệ thống heli Đức đi qua các khoảng trống trong lớp hình cầu yếu tố nhiên liệu, và tại Mỹ - qua các lỗ hở trong lăng kính graphite bố trí dọc theo trục trung tâm của lõi lò phản ứng. Cả hai tùy chọn có thể hoạt động ở nhiệt độ rất cao, kể từ graphite có nhiệt độ thăng hoa cực kỳ cao, và heli hóa trơ hoàn toàn. heli nóng có thể được sử dụng trực tiếp như một chất lỏng làm việc trong một tuabin khí ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt có thể được sử dụng để tạo ra nước chu trình hơi nước.

Lỏng kim loại lò phản ứng hạt nhân: mạch và nguyên tắc làm việc

lò phản ứng nhanh với natri nước làm mát đã nhận được sự chú ý đáng kể vào những năm 1960-1970. Sau đó, dường như khả năng của họ để tái tạo nhiên liệu hạt nhân trong tương lai gần được yêu cầu để sản xuất nhiên liệu cho một ngành công nghiệp hạt nhân phát triển nhanh chóng. Khi nó trở nên rõ ràng rằng kỳ vọng này là không thực tế, nhiệt tình suy yếu trong những năm 1980. Tuy nhiên, tại Hoa Kỳ, Nga, Pháp, Anh, Nhật Bản và Đức đã xây dựng một loạt các lò phản ứng thuộc loại này. Hầu hết trong số họ làm việc trên uranium dioxide hoặc một hỗn hợp của plutonium dioxide. Tại Hoa Kỳ, tuy nhiên, thành công lớn nhất đã đạt được với nhiên liệu kim loại.

CANDU

Canada đã tập trung nỗ lực vào các lò phản ứng, sử dụng nguồn tài nguyên urani. Điều này loại bỏ sự cần thiết để làm giàu của mình để sử dụng các dịch vụ của các nước khác. Kết quả của chính sách này là lò phản ứng deuterium-urani (CANDU). Kiểm soát và làm mát nó được sản xuất nước nặng. Thiết kế và vận hành một lò phản ứng hạt nhân là sử dụng một chiếc xe tăng với lạnh D ₂ O ở áp suất khí quyển. khu vực hoạt động thấm nhuần ống nhiên liệu hợp kim zirconium uranium tự nhiên, thông qua đó lưu thông làm mát nước nặng của nó. Điện được sản xuất bằng cách chia truyền nhiệt trong chất lỏng làm nguội nước nặng, được luân chuyển qua các máy phát điện hơi nước. Hơi nước trong vòng lặp thứ sau đó đi qua một chu kỳ tuabin thông thường.

cơ sở nghiên cứu

Đối với nghiên cứu lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng, các nguyên tắc trong đó bao gồm việc sử dụng các yếu tố tấm làm mát nước và nhiên liệu uranium trong các hội đồng mẫu. Có khả năng hoạt động trong một loạt các mức công suất từ vài trăm kilowatt để megawatt. Kể từ khi phát điện không phải là mục tiêu chính của các lò phản ứng nghiên cứu, họ được đặc trưng bởi năng lượng nhiệt tạo ra, và mật độ của neutron năng lượng danh nghĩa cốt lõi. Đó là các thông số này sẽ giúp để định lượng khả năng của một lò phản ứng nghiên cứu để thực hiện các nghiên cứu cụ thể. hệ thống công suất thấp có xu hướng hoạt động ở các trường đại học và được sử dụng cho việc đào tạo, và công suất cao là cần thiết trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu để thử nghiệm vật liệu và đặc điểm, cũng như cho các nghiên cứu chung.

Các nghiên cứu lò phản ứng hạt nhân thường gặp nhất, cấu trúc và nguyên tắc hoạt động như sau. khu vực hoạt động của nó nằm ở dưới cùng của hồ bơi sâu lớn của nước. Này tạo điều kiện phân bổ quan sát và kênh mà qua đó các chùm tia neutron có thể được hướng dẫn. Tại mức công suất thấp không có nhu cầu để bơm nước làm mát, như để duy trì trạng thái hoạt động an toàn của đối lưu tự nhiên của nước làm mát đảm bảo tản nhiệt đủ. Các thiết bị trao đổi nhiệt thường nằm trên bề mặt hoặc ở phần trên của hồ bơi, nơi nước nóng được tích lũy.

lắp đặt tàu

sử dụng ban đầu và chủ yếu của các lò phản ứng hạt nhân là việc sử dụng chúng trong tàu ngầm. Ưu điểm chính của họ là, trái ngược với hệ thống đốt nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện họ không đòi hỏi không khí. Do đó, tàu ngầm hạt nhân có thể vẫn còn chìm trong một thời gian dài, và tàu ngầm diesel-điện thông thường phải định kỳ tăng lên bề mặt, để chạy động cơ khí của họ. năng lượng hạt nhân cung cấp một lợi thế chiến lược tàu Hải quân. Nhờ có cô ấy, tôi không cần phải tiếp nhiên liệu tại các cảng nước ngoài hoặc từ tàu chở dầu dễ dàng bị tổn thương.

Nguyên tắc hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm phân loại. Tuy nhiên, nó được biết rằng ở Mỹ nó sử dụng uranium làm giàu cao, và giảm tốc độ và làm mát là nước nhẹ. Thiết kế của lò phản ứng đầu tiên tàu ngầm hạt nhân USS Nautilus đã ảnh hưởng mạnh bởi cài đặt nghiên cứu mạnh mẽ. Tính năng độc đáo của nó là biên độ phản ứng rất cao, cung cấp một thời gian dài hoạt động mà không cần tiếp nhiên liệu và khả năng khởi động lại sau khi ngừng. nhà máy điện trong tàu ngầm phải rất yên tĩnh, để tránh bị phát hiện. Để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các tầng lớp khác nhau của tàu ngầm mô hình khác nhau của các nhà máy điện đã được thiết lập.

Hải quân Mỹ trên tàu sân bay sử dụng lò phản ứng hạt nhân, nguyên tắc đó được cho là vay mượn từ các tàu ngầm lớn nhất. Chi tiết về xây dựng và chưa được công bố.

Ngoài Hoa Kỳ, tàu ngầm hạt nhân ở Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ. Trong mỗi trường hợp, thiết kế đã không được tiết lộ, nhưng người ta tin rằng tất cả chúng đều rất giống nhau - đây là một hệ quả của các yêu cầu tương tự cho đặc tính kỹ thuật của họ. Nga cũng có một hạm đội nhỏ của tàu phá băng hạt nhân, được thành lập các lò phản ứng tương tự như trong các tàu ngầm của Liên Xô.

lắp đặt công nghiệp

Đối với mục đích sản xuất của cấp vũ khí plutonium-239 sử dụng một lò phản ứng hạt nhân, nguyên tắc trong đó bao gồm năng suất cao với năng ở mức độ thấp. Điều này là do thực tế là cư trú dài hạn của plutonium trong lõi dẫn đến sự tích tụ của không mong muốn ²⁴⁰ Pu.

sản xuất tritium

Hiện nay, nguyên liệu chính có thể đạt được bởi hệ thống như vậy là tritium ⁽³ H hoặc T) - phí bom hydro. Plutonium-239 có chu kỳ bán rã dài 24.100 năm, do đó, một quốc gia có vũ khí hạt nhân có sử dụng yếu tố này, như một quy luật, có nó nhiều hơn mức cần thiết. Ngược lại với các ²³⁹ Pu, thời gian bán thải của tritium là khoảng 12 năm. Vì vậy, để duy trì hàng tồn kho cần thiết, đồng vị phóng xạ này của hydro phải được thực hiện liên tục. Tại Mỹ, sông Savannah (South Carolina), ví dụ, có một số lò phản ứng nước nặng, sản xuất tritium.

điện nổi

Được tạo bởi lò phản ứng hạt nhân, có khả năng cung cấp điện và hơi nước nóng xóa những vùng hẻo lánh. Ở Nga, ví dụ, chúng tôi thấy việc sử dụng các hệ thống điện nhỏ, được thiết kế đặc biệt để phục vụ cho các khu định cư ở Bắc Cực. Ở Trung Quốc, nhà máy 10-megawatt HTR-10 nguồn cung cấp nhiệt và viện nghiên cứu năng lượng điện, trong đó nó nằm. Phát triển các lò phản ứng nhỏ điều khiển tự động với khả năng tương tự được thực hiện tại Thụy Điển và Canada. Giữa năm 1960 và 1972, quân đội Mỹ sử dụng lò phản ứng nước nhỏ gọn để cung cấp căn cứ xa xôi ở Greenland và Nam Cực. Họ đã được thay thế bởi các nhà máy điện nhiên liệu dầu.

thám hiểm vũ trụ

Bên cạnh đó, các lò phản ứng đã được thiết kế cho quyền lực và chuyển động trong không gian. Trong giai đoạn 1967-1988, Liên Xô đã thiết lập một cơ sở hạt nhân nhỏ trên các vệ tinh "Kosmos" để cung cấp thiết bị và đo từ xa, nhưng chính sách này đã trở thành một mục tiêu cho những lời chỉ trích. Ít nhất một trong những vệ tinh vào bầu khí quyển của Trái đất, khiến vùng sâu vùng xa ô nhiễm phóng xạ của Canada. Hoa Kỳ đưa ra chỉ có một vệ tinh với một lò phản ứng hạt nhân vào năm 1965. Tuy nhiên, các dự án về sử dụng của họ trong sứ mệnh không gian sâu, nghiên cứu các hành tinh khác có người lái hoặc trên một căn cứ mặt trăng vĩnh viễn tiếp tục được phát triển. Đây chắc chắn sẽ là một lò phản ứng làm mát bằng khí hoặc chất lỏng kim loại nguyên tử, các nguyên tắc vật lý trong đó cung cấp nhiệt độ cao nhất có thể cần thiết để giảm thiểu kích thước của bộ tản nhiệt. Ngoài ra, không gian lò phản ứng cho các thiết bị để được như nhỏ gọn càng tốt để hạn chế tối đa lượng vật liệu sử dụng cho việc che chắn, và để giảm cân trong thời gian ra mắt và không gian bay. Nhiên liệu công suất sẽ đảm bảo hoạt động của lò phản ứng trong suốt thời gian của chuyến bay vũ trụ.