Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζονται στην εκκίνηση και τον έλεγχο μιας αυτοσυντηρούμενης πυρηνικής αντίδρασης. Χρησιμοποιείται ως εργαλείο έρευνας, για την παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων και ως πηγή ενέργειας για πυρηνικούς σταθμούς.
Πυρηνικός αντιδραστήρας: πώς λειτουργεί (συνοπτικά)
Εδώ, χρησιμοποιείται η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης, κατά την οποία ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο μικρότερα θραύσματα. Αυτά τα θραύσματα βρίσκονται σε πολύ διεγερμένη κατάσταση και εκπέμπουν νετρόνια, άλλα υποατομικά σωματίδια και φωτόνια. Τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν νέες σχάσεις, με αποτέλεσμα να εκπέμπονται περισσότερα νετρόνια κ.λπ. Μια τέτοια συνεχής αυτοσυντηρούμενη σειρά διασπάσεων ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Ταυτόχρονα απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας, η παραγωγή της οποίας είναι σκοπός της χρήσης πυρηνικών σταθμών.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής είναι τέτοια που περίπου το 85% της ενέργειας σχάσης απελευθερώνεται μέσα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα μετά την έναρξη της αντίδρασης. Το υπόλοιπο παράγεται σετο αποτέλεσμα της ραδιενεργής διάσπασης των προϊόντων σχάσης αφού έχουν εκπέμψει νετρόνια. Η ραδιενεργή διάσπαση είναι η διαδικασία με την οποία ένα άτομο φτάνει σε μια πιο σταθερή κατάσταση. Συνεχίζεται ακόμα και μετά την ολοκλήρωση της διαίρεσης.
Σε μια ατομική βόμβα, η αλυσιδωτή αντίδραση αυξάνεται σε ένταση έως ότου το μεγαλύτερο μέρος του υλικού διασπαστεί. Αυτό συμβαίνει πολύ γρήγορα, προκαλώντας τις εξαιρετικά ισχυρές εκρήξεις που χαρακτηρίζουν τέτοιες βόμβες. Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζονται στη διατήρηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σε ελεγχόμενο, σχεδόν σταθερό επίπεδο. Είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μπορεί να εκραγεί σαν ατομική βόμβα.
Αλυσιδωτή αντίδραση και κρισιμότητα
Η φυσική ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης είναι ότι η αλυσιδωτή αντίδραση καθορίζεται από την πιθανότητα πυρηνικής σχάσης μετά την εκπομπή νετρονίων. Εάν ο πληθυσμός του τελευταίου μειωθεί, τότε ο ρυθμός σχάσης θα πέσει τελικά στο μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, ο αντιδραστήρας θα βρίσκεται σε υποκρίσιμη κατάσταση. Εάν ο πληθυσμός των νετρονίων διατηρηθεί σε σταθερό επίπεδο, τότε ο ρυθμός σχάσης θα παραμείνει σταθερός. Ο αντιδραστήρας θα είναι σε κρίσιμη κατάσταση. Και τέλος, εάν ο πληθυσμός των νετρονίων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, ο ρυθμός σχάσης και η ισχύς θα αυξηθούν. Ο πυρήνας θα γίνει υπερκρίσιμος.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι η εξής. Πριν από την εκτόξευση, ο πληθυσμός νετρονίων είναι κοντά στο μηδέν. Στη συνέχεια, οι χειριστές αφαιρούν τις ράβδους ελέγχου από τον πυρήνα, αυξάνοντας την πυρηνική σχάση, η οποία μεταφράζεται προσωρινάαντιδραστήρας σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Αφού φτάσουν στην ονομαστική ισχύ, οι χειριστές επιστρέφουν εν μέρει τις ράβδους ελέγχου, προσαρμόζοντας τον αριθμό των νετρονίων. Στο μέλλον, ο αντιδραστήρας διατηρείται σε κρίσιμη κατάσταση. Όταν χρειάζεται να σταματήσει, οι χειριστές εισάγουν τις ράβδους εντελώς. Αυτό καταστέλλει τη σχάση και φέρνει τον πυρήνα σε υποκρίσιμη κατάσταση.
Τύποι αντιδραστήρων
Οι περισσότερες από τις παγκόσμιες πυρηνικές εγκαταστάσεις παράγουν ενέργεια, παράγοντας τη θερμότητα που απαιτείται για την περιστροφή των στροβίλων που κινούν γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν επίσης πολλοί ερευνητικοί αντιδραστήρες και ορισμένες χώρες διαθέτουν πυρηνικά υποβρύχια ή πλοία επιφανείας.
Ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες
Υπάρχουν αρκετοί τύποι αντιδραστήρων αυτού του τύπου, αλλά ο σχεδιασμός του ελαφρού νερού έχει βρει ευρεία εφαρμογή. Με τη σειρά του, μπορεί να χρησιμοποιήσει νερό υπό πίεση ή βραστό νερό. Στην πρώτη περίπτωση, το υγρό υπό υψηλή πίεση θερμαίνεται από τη θερμότητα του πυρήνα και εισέρχεται στη γεννήτρια ατμού. Εκεί η θερμότητα από το πρωτεύον κύκλωμα μεταφέρεται στο δευτερεύον, το οποίο περιέχει και νερό. Ο τελικά παραγόμενος ατμός χρησιμεύει ως το λειτουργικό ρευστό στον κύκλο του ατμοστροβίλου.
Ο αντιδραστήρας τύπου βρασμού λειτουργεί με βάση την αρχή του άμεσου ενεργειακού κύκλου. Το νερό, που διέρχεται από την ενεργή ζώνη, φέρεται σε βρασμό σε ένα μέσο επίπεδο πίεσης. Ο κορεσμένος ατμός διέρχεται από μια σειρά διαχωριστών και στεγνωτηρίων που βρίσκονται στο δοχείο του αντιδραστήρα, τα οποία τον φέρνουν σευπερθερμασμένη κατάσταση. Ο υπερθερμασμένος υδρατμός χρησιμοποιείται στη συνέχεια ως λειτουργικό ρευστό για την περιστροφή μιας τουρμπίνας.
Ψύξη αερίου υψηλής θερμοκρασίας
Ο αντιδραστήρας υψηλής θερμοκρασίας με ψύξη αερίου (HTGR) είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται στη χρήση ενός μείγματος μικροσφαιρών γραφίτη και καυσίμου ως καυσίμου. Υπάρχουν δύο ανταγωνιστικά σχέδια:
- Γερμανικό σύστημα "πλήρωσης" που χρησιμοποιεί σφαιρικές κυψέλες καυσίμου διαμέτρου 60 mm, οι οποίες είναι ένα μείγμα γραφίτη και καυσίμου σε ένα κέλυφος γραφίτη.
- Αμερικανική έκδοση με τη μορφή εξαγωνικών πρισμάτων γραφίτη που συμπλέκονται για να σχηματίσουν μια ενεργή ζώνη.
Και στις δύο περιπτώσεις, το ψυκτικό αποτελείται από ήλιο σε πίεση περίπου 100 ατμοσφαιρών. Στο γερμανικό σύστημα, το ήλιο διέρχεται από κενά στο στρώμα των σφαιρικών στοιχείων καυσίμου και στο αμερικανικό σύστημα, μέσω οπών σε πρίσματα γραφίτη που βρίσκονται κατά μήκος του άξονα της κεντρικής ζώνης του αντιδραστήρα. Και οι δύο επιλογές μπορούν να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, καθώς ο γραφίτης έχει εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία εξάχνωσης, ενώ το ήλιο είναι εντελώς χημικά αδρανές. Το ζεστό ήλιο μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας ως λειτουργικό ρευστό σε έναν αεριοστρόβιλο σε υψηλή θερμοκρασία ή η θερμότητά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ατμού του κύκλου του νερού.
Πυρηνικός αντιδραστήρας υγρού μετάλλου: σχήμα και αρχή λειτουργίας
Γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων με ψυκτικό νάτριο έλαβαν μεγάλη προσοχή στις δεκαετίες του 1960 και του 1970. Τότεφαινόταν ότι η ικανότητά τους να αναπαράγουν πυρηνικά καύσιμα στο εγγύς μέλλον ήταν απαραίτητη για την παραγωγή καυσίμων για την ταχέως αναπτυσσόμενη πυρηνική βιομηχανία. Όταν έγινε σαφές στη δεκαετία του 1980 ότι αυτή η προσδοκία δεν ήταν ρεαλιστική, ο ενθουσιασμός έσβησε. Ωστόσο, αρκετοί αντιδραστήρες αυτού του τύπου έχουν κατασκευαστεί στις ΗΠΑ, τη Ρωσία, τη Γαλλία, τη Μεγάλη Βρετανία, την Ιαπωνία και τη Γερμανία. Τα περισσότερα από αυτά λειτουργούν με διοξείδιο του ουρανίου ή το μείγμα του με διοξείδιο του πλουτωνίου. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ωστόσο, η μεγαλύτερη επιτυχία ήταν με τα μεταλλικά καύσιμα.
CANDU
Ο Καναδάς έχει επικεντρώσει τις προσπάθειές του σε αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για τον εμπλουτισμό του να καταφύγει σε υπηρεσίες άλλων χωρών. Το αποτέλεσμα αυτής της πολιτικής ήταν ο αντιδραστήρας δευτερίου-ουρανίου (CANDU). Ο έλεγχος και η ψύξη σε αυτό πραγματοποιείται με βαρύ νερό. Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι η χρήση δεξαμενής με κρύο D2O σε ατμοσφαιρική πίεση. Ο πυρήνας τρυπιέται από σωλήνες από κράμα ζιρκονίου με φυσικό καύσιμο ουρανίου, μέσω των οποίων το βαρύ νερό τον ψύχει. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μεταφέροντας τη θερμότητα της σχάσης στο βαρύ νερό στο ψυκτικό υγρό που κυκλοφορεί μέσω της γεννήτριας ατμού. Στη συνέχεια, ο ατμός στο δευτερεύον κύκλωμα διέρχεται από τον κανονικό κύκλο του στροβίλου.
Ερευνητικές εγκαταστάσεις
Για επιστημονική έρευνα, χρησιμοποιείται συχνότερα ένας πυρηνικός αντιδραστήρας, η αρχή του οποίου είναι η χρήση ψύξης νερού καιελασματοειδή στοιχεία καυσίμου ουρανίου με τη μορφή συγκροτημάτων. Δυνατότητα λειτουργίας σε ένα ευρύ φάσμα επιπέδων ισχύος, από μερικά κιλοβάτ έως εκατοντάδες μεγαβάτ. Δεδομένου ότι η παραγωγή ενέργειας δεν είναι το κύριο καθήκον των ερευνητικών αντιδραστήρων, χαρακτηρίζονται από την παραγόμενη θερμική ενέργεια, την πυκνότητα και την ονομαστική ενέργεια των νετρονίων στον πυρήνα. Αυτές οι παράμετροι είναι που βοηθούν στον ποσοτικό προσδιορισμό της ικανότητας ενός ερευνητικού αντιδραστήρα να διεξάγει συγκεκριμένες έρευνες. Τα συστήματα χαμηλής ισχύος χρησιμοποιούνται συνήθως στα πανεπιστήμια για διδακτικούς σκοπούς, ενώ τα συστήματα υψηλής ισχύος χρειάζονται σε εργαστήρια Ε&Α για δοκιμές υλικών και απόδοσης και γενική έρευνα.
Ο πιο συνηθισμένος ερευνητικός πυρηνικός αντιδραστήρας, η δομή και η αρχή λειτουργίας του οποίου έχουν ως εξής. Η ενεργή ζώνη του βρίσκεται στον πυθμένα μιας μεγάλης βαθιάς λίμνης νερού. Αυτό απλοποιεί την παρατήρηση και την τοποθέτηση καναλιών μέσω των οποίων μπορούν να κατευθυνθούν οι δέσμες νετρονίων. Σε χαμηλά επίπεδα ισχύος, δεν υπάρχει ανάγκη εξαέρωσης του ψυκτικού υγρού, καθώς η φυσική μεταφορά του ψυκτικού υγρού παρέχει επαρκή απαγωγή θερμότητας για τη διατήρηση μιας ασφαλούς κατάστασης λειτουργίας. Ο εναλλάκτης θερμότητας βρίσκεται συνήθως στην επιφάνεια ή στην κορυφή της πισίνας όπου συγκεντρώνεται ζεστό νερό.
Εγκαταστάσεις πλοίων
Η αρχική και κύρια χρήση των πυρηνικών αντιδραστήρων είναι στα υποβρύχια. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναιότι, σε αντίθεση με τα συστήματα καύσης ορυκτών καυσίμων, δεν απαιτούν αέρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επομένως, ένα πυρηνικό υποβρύχιο μπορεί να παραμείνει βυθισμένο για μεγάλα χρονικά διαστήματα, ενώ ένα συμβατικό ντίζελ-ηλεκτρικό υποβρύχιο πρέπει περιοδικά να ανεβαίνει στην επιφάνεια για να εκκινήσει τους κινητήρες του στον αέρα. Η πυρηνική ενέργεια δίνει στρατηγικό πλεονέκτημα στα πλοία του Πολεμικού Ναυτικού. Εξαλείφει την ανάγκη ανεφοδιασμού σε ξένα λιμάνια ή από ευάλωτα δεξαμενόπλοια.
Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα σε ένα υποβρύχιο είναι ταξινομημένη. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι στις ΗΠΑ χρησιμοποιεί ουράνιο υψηλής εμπλουτισμού και η επιβράδυνση και η ψύξη γίνεται με ελαφρύ νερό. Ο σχεδιασμός του πρώτου αντιδραστήρα του πυρηνικού υποβρυχίου USS Nautilus επηρεάστηκε έντονα από ισχυρές ερευνητικές εγκαταστάσεις. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του είναι ένα πολύ μεγάλο περιθώριο αντιδραστικότητας, το οποίο εξασφαλίζει μεγάλη περίοδο λειτουργίας χωρίς ανεφοδιασμό και δυνατότητα επανεκκίνησης μετά από στάση. Ο σταθμός παραγωγής ενέργειας στα υπόγεια πρέπει να είναι πολύ αθόρυβος για να αποφευχθεί ο εντοπισμός. Για την κάλυψη των ειδικών αναγκών διαφορετικών κατηγοριών υποβρυχίων, δημιουργήθηκαν διαφορετικά μοντέλα σταθμών παραγωγής ενέργειας.
Τα αεροπλανοφόρα του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ χρησιμοποιούν πυρηνικό αντιδραστήρα, η αρχή του οποίου πιστεύεται ότι έχει δανειστεί από τα μεγαλύτερα υποβρύχια. Λεπτομέρειες για το σχέδιό τους επίσης δεν έχουν δημοσιευτεί.
Εκτός από τις ΗΠΑ, το Ηνωμένο Βασίλειο, η Γαλλία, η Ρωσία, η Κίνα και η Ινδία διαθέτουν πυρηνικά υποβρύχια. Σε κάθε περίπτωση, το σχέδιο δεν αποκαλύφθηκε, αλλά πιστεύεται ότι όλα είναι πολύ παρόμοια - αυτόείναι συνέπεια των ίδιων απαιτήσεων για τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Η Ρωσία διαθέτει επίσης έναν μικρό στόλο πυρηνικών παγοθραυστικών που έχουν τους ίδιους αντιδραστήρες με τα σοβιετικά υποβρύχια.
Βιομηχανικές εγκαταστάσεις
Για την παραγωγή πλουτωνίου-239 για όπλα, χρησιμοποιείται πυρηνικός αντιδραστήρας, η αρχή του οποίου είναι η υψηλή παραγωγικότητα με χαμηλό επίπεδο παραγωγής ενέργειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μια μακρά παραμονή πλουτωνίου στον πυρήνα οδηγεί στη συσσώρευση ανεπιθύμητου 240Pu.
παραγωγή τριτίου
Επί του παρόντος, το κύριο υλικό που παράγεται από τέτοια συστήματα είναι το τρίτιο (3H ή T), το φορτίο για τις βόμβες υδρογόνου. Το πλουτώνιο-239 έχει μεγάλο χρόνο ημιζωής 24.100 ετών, επομένως οι χώρες με οπλοστάσια πυρηνικών όπλων που χρησιμοποιούν αυτό το στοιχείο τείνουν να έχουν περισσότερο από αυτό που χρειάζονται. Σε αντίθεση με το 239Pu, το τρίτιο έχει χρόνο ημιζωής περίπου 12 χρόνια. Έτσι, για να διατηρηθούν τα απαραίτητα εφόδια, αυτό το ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου πρέπει να παράγεται συνεχώς. Στις ΗΠΑ, ο ποταμός Savannah, στη Νότια Καρολίνα, για παράδειγμα, έχει αρκετούς αντιδραστήρες βαρέος νερού που παράγουν τρίτιο.
πλωτές μονάδες ισχύος
Έχουν δημιουργηθεί πυρηνικοί αντιδραστήρες που μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια και θέρμανση με ατμό σε απομακρυσμένες απομονωμένες περιοχές. Στη Ρωσία, για παράδειγμα, έχουν βρει εφαρμογήμικρούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να εξυπηρετούν κοινότητες της Αρκτικής. Στην Κίνα, ένα εργοστάσιο HTR-10 ισχύος 10 MW παρέχει θερμότητα και ενέργεια στο ερευνητικό ινστιτούτο όπου βρίσκεται. Μικροί ελεγχόμενοι αντιδραστήρες με παρόμοιες δυνατότητες αναπτύσσονται στη Σουηδία και τον Καναδά. Μεταξύ 1960 και 1972, ο στρατός των ΗΠΑ χρησιμοποίησε συμπαγείς αντιδραστήρες νερού για να τροφοδοτήσει απομακρυσμένες βάσεις στη Γροιλανδία και την Ανταρκτική. Έχουν αντικατασταθεί από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν με πετρέλαιο.
Εξερεύνηση του Διαστήματος
Επιπλέον, έχουν αναπτυχθεί αντιδραστήρες για τροφοδοσία και κίνηση στο διάστημα. Μεταξύ 1967 και 1988, η Σοβιετική Ένωση εγκατέστησε μικρές πυρηνικές εγκαταστάσεις στους δορυφόρους Kosmos για την τροφοδοσία εξοπλισμού και τηλεμετρίας, αλλά αυτή η πολιτική έγινε στόχος κριτικής. Τουλάχιστον ένας από αυτούς τους δορυφόρους εισήλθε στην ατμόσφαιρα της Γης, με αποτέλεσμα τη ραδιενεργή μόλυνση απομακρυσμένων περιοχών του Καναδά. Οι Ηνωμένες Πολιτείες εκτόξευσαν μόνο έναν πυρηνικό δορυφόρο το 1965. Ωστόσο, συνεχίζουν να αναπτύσσονται έργα για τη χρήση τους σε πτήσεις στο βάθος, επανδρωμένη εξερεύνηση άλλων πλανητών ή σε μόνιμη σεληνιακή βάση. Θα είναι αναγκαστικά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας αερόψυκτου ή υγρού-μετάλλου, οι φυσικές αρχές του οποίου θα παρέχουν την υψηλότερη δυνατή θερμοκρασία που απαιτείται για την ελαχιστοποίηση του μεγέθους του καλοριφέρ. Επιπλέον, ένας διαστημικός αντιδραστήρας θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο συμπαγής ώστε να ελαχιστοποιείται η ποσότητα του υλικού που χρησιμοποιείταιθωράκιση και μείωση βάρους κατά την εκτόξευση και τη διαστημική πτήση. Το απόθεμα καυσίμου θα εξασφαλίσει τη λειτουργία του αντιδραστήρα για ολόκληρη την περίοδο της διαστημικής πτήσης.
