دستگاه و اصل عملکرد یک راکتور هسته ای بر پایه اولیه و کنترل یک واکنش هسته ای خودپایدار است. این به عنوان یک ابزار تحقیقاتی، برای تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو و به عنوان منبع انرژی برای نیروگاه های هسته ای استفاده می شود.
راکتور هسته ای: چگونه کار می کند (به طور خلاصه)
در اینجا از فرآیند شکافت هسته ای استفاده می شود که در آن یک هسته سنگین به دو قطعه کوچکتر تجزیه می شود. این قطعات در حالت بسیار برانگیخته هستند و نوترون، سایر ذرات زیراتمی و فوتون از خود ساطع می کنند. نوترون ها می توانند شکافت های جدیدی ایجاد کنند که در نتیجه نوترون های بیشتری منتشر می شود و غیره. چنین مجموعه‌ای از شکاف‌های خودپایدار، واکنش زنجیره‌ای نامیده می‌شود. همزمان مقدار زیادی انرژی آزاد می شود که تولید آن هدف استفاده از نیروگاه های هسته ای است.
اصل کار یک راکتور هسته ای و یک نیروگاه هسته ای به گونه ای است که حدود ۸۵ درصد از انرژی شکافت در مدت زمان بسیار کوتاهی پس از شروع واکنش آزاد می شود. مابقی در تولید می شودنتیجه تجزیه رادیواکتیو محصولات شکافت پس از انتشار نوترون از آنها است. واپاشی رادیواکتیو فرآیندی است که طی آن یک اتم به حالت پایدارتر می رسد. حتی پس از تکمیل تقسیم نیز ادامه دارد.
در یک بمب اتمی، شدت واکنش زنجیره ای تا زمانی افزایش می یابد که بیشتر مواد شکافته شوند. این خیلی سریع اتفاق می افتد و انفجارهای بسیار قدرتمندی را ایجاد می کند که مشخصه چنین بمب هایی است. دستگاه و اصل کار یک راکتور هسته ای مبتنی بر حفظ یک واکنش زنجیره ای در یک سطح کنترل شده و تقریباً ثابت است. به گونه ای طراحی شده است که نمی تواند مانند بمب اتمی منفجر شود.
واکنش زنجیره ای و بحرانی
فیزیک یک راکتور شکافت هسته ای این است که واکنش زنجیره ای با احتمال شکافت هسته ای پس از انتشار نوترون تعیین می شود. اگر جمعیت دومی کاهش یابد، سرعت شکافت در نهایت به صفر خواهد رسید. در این حالت راکتور در وضعیت زیر بحرانی قرار خواهد گرفت. اگر جمعیت نوترون ها در سطح ثابتی حفظ شود، آنگاه نرخ شکافت پایدار خواهد ماند. رآکتور در شرایط بحرانی خواهد بود. و در نهایت، اگر جمعیت نوترون ها در طول زمان افزایش یابد، سرعت شکافت و قدرت افزایش می یابد. هسته فوق بحرانی خواهد شد.
اصل کار یک راکتور هسته ای به شرح زیر است. قبل از پرتاب، جمعیت نوترون نزدیک به صفر است. سپس اپراتورها میله های کنترل را از هسته جدا می کنند و شکافت هسته ای را افزایش می دهند که به طور موقت ترجمه می شود.راکتور به حالت فوق بحرانی پس از رسیدن به توان اسمی، اپراتورها تا حدی میله های کنترل را برمی گردانند و تعداد نوترون ها را تنظیم می کنند. در آینده، راکتور در وضعیت بحرانی حفظ می شود. هنگامی که باید متوقف شود، اپراتورها میله ها را به طور کامل وارد می کنند. این شکافت را سرکوب می کند و هسته را به حالت زیر بحرانی می رساند.
انواع راکتور
بیشتر تاسیسات هسته ای جهان مولد انرژی هستند و گرمای لازم برای چرخاندن توربین هایی که ژنراتورهای برق را به حرکت در می آورند، تولید می کنند. راکتورهای تحقیقاتی زیادی نیز وجود دارد و برخی کشورها زیردریایی های هسته ای یا کشتی های سطحی دارند.
نیروگاه
انواع مختلفی از این نوع راکتورها وجود دارد، اما طراحی آب سبک کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. به نوبه خود، می تواند از آب تحت فشار یا آب جوش استفاده کند. در حالت اول، مایع تحت فشار بالا توسط گرمای هسته گرم شده و وارد مولد بخار می شود. در آنجا گرمای مدار اولیه به مدار ثانویه که حاوی آب نیز می باشد منتقل می شود. بخار تولید شده در نهایت به عنوان سیال کاری در چرخه توربین بخار عمل می کند.
رآکتور نوع جوش بر اساس اصل چرخه انرژی مستقیم کار می کند. آب با عبور از منطقه فعال، در سطح فشار متوسط به جوش می آید. بخار اشباع شده از یک سری جداکننده و خشک کن واقع در مخزن راکتور عبور می کند که آن را بهحالت فوق گرم سپس بخار آب فوق گرم شده به عنوان سیال عامل برای چرخاندن توربین استفاده می شود.
خنک با گاز با دمای بالا
رآکتور خنک‌شده با گاز با دمای بالا (HTGR) یک راکتور هسته‌ای است که اصل عملکرد آن مبتنی بر استفاده از مخلوطی از گرافیت و میکروسفرهای سوخت به عنوان سوخت است. دو طرح رقیب وجود دارد:
- سیستم "پرکننده" آلمانی که از سلول های سوختی کروی با قطر 60 میلی متر استفاده می کند که مخلوطی از گرافیت و سوخت در یک پوسته گرافیتی است؛
- نسخه آمریکایی به شکل منشورهای شش ضلعی گرافیتی که برای تشکیل یک منطقه فعال به هم متصل می شوند.
در هر دو مورد، خنک کننده از هلیوم با فشار حدود 100 اتمسفر تشکیل شده است. در سیستم آلمانی، هلیم از شکاف های لایه عناصر سوخت کروی و در سیستم آمریکایی از سوراخ های منشورهای گرافیتی که در امتداد محور منطقه مرکزی راکتور قرار دارند عبور می کند. هر دو گزینه می توانند در دماهای بسیار بالا کار کنند، زیرا گرافیت دمای تصعید بسیار بالایی دارد، در حالی که هلیوم از نظر شیمیایی کاملاً بی اثر است. هلیوم داغ را می توان مستقیماً به عنوان یک سیال کار در یک توربین گاز در دمای بالا استفاده کرد یا از گرمای آن برای تولید بخار چرخه آب استفاده کرد.
راکتور هسته ای فلز مایع: طرح و اصل کار
راکتورهای نوترونی سریع با خنک کننده سدیم در دهه های 1960 و 1970 توجه زیادی را به خود جلب کردند. سپسبه نظر می رسید که توانایی آنها برای بازتولید سوخت هسته ای در آینده نزدیک برای تولید سوخت برای صنعت هسته ای به سرعت در حال توسعه ضروری است. هنگامی که در دهه 1980 مشخص شد که این انتظار غیرواقعی است، شور و شوق از بین رفت. با این حال، تعدادی از این نوع راکتورها در ایالات متحده آمریکا، روسیه، فرانسه، بریتانیا، ژاپن و آلمان ساخته شده است. بیشتر آنها بر روی دی اکسید اورانیوم یا مخلوط آن با دی اکسید پلوتونیوم کار می کنند. با این حال، در ایالات متحده، بیشترین موفقیت با سوخت های فلزی بوده است.
CANDU
کانادا تلاش های خود را بر روی رآکتورهایی متمرکز کرده است که از اورانیوم طبیعی استفاده می کنند. این امر نیاز به غنی سازی آن را برای توسل به خدمات سایر کشورها از بین می برد. نتیجه این سیاست راکتور دوتریوم-اورانیوم (CANDU) بود. کنترل و خنک سازی در آن توسط آب سنگین انجام می شود. دستگاه و اصل کار یک راکتور هسته ای استفاده از مخزن با D2O سرد در فشار اتمسفر است. هسته توسط لوله های ساخته شده از آلیاژ زیرکونیوم با سوخت طبیعی اورانیوم سوراخ می شود که از طریق آن آب سنگین آن را خنک می کند. الکتریسیته با انتقال گرمای شکافت در آب سنگین به خنک کننده ای که از طریق مولد بخار به گردش در می آید، تولید می شود. سپس بخار در مدار ثانویه از چرخه معمولی توربین عبور می کند.
تأسیسات تحقیقاتی
برای تحقیقات علمی، اغلب از یک راکتور هسته ای استفاده می شود که اصل آن استفاده از خنک کننده آب وعناصر سوخت اورانیوم لایه ای به شکل مجموعه. قادر به کار در طیف گسترده ای از سطوح توان، از چند کیلووات تا صدها مگاوات. از آنجایی که تولید برق وظیفه اصلی راکتورهای تحقیقاتی نیست، آنها با انرژی حرارتی تولید شده، چگالی و انرژی اسمی نوترون ها در هسته مشخص می شوند. این پارامترها هستند که به تعیین کمیت توانایی یک راکتور تحقیقاتی برای انجام بررسی‌های خاص کمک می‌کنند. سیستم‌های کم قدرت معمولاً در دانشگاه‌ها برای اهداف آموزشی استفاده می‌شوند، در حالی که سیستم‌های قدرت بالا در آزمایشگاه‌های تحقیق و توسعه برای آزمایش مواد و عملکرد و تحقیقات عمومی مورد نیاز هستند.
متداول ترین راکتور هسته ای تحقیقاتی که ساختار و اصل عملکرد آن به شرح زیر است. منطقه فعال آن در پایین یک حوضچه عمیق آب قرار دارد. این امر مشاهده و قرار دادن کانال هایی را که می توان از طریق آنها پرتوهای نوترونی هدایت کرد، ساده می کند. در سطوح توان پایین، نیازی به تخلیه مایع خنک‌کننده نیست، زیرا همرفت طبیعی مایع خنک‌کننده، اتلاف گرمای کافی را برای حفظ شرایط عملکرد ایمن فراهم می‌کند. مبدل حرارتی معمولاً روی سطح یا بالای استخر قرار دارد که آب گرم در آن جمع می شود.
نصب کشتی
کاربرد اصلی و اصلی راکتورهای هسته ای در زیردریایی ها است. مزیت اصلی آنها این استکه بر خلاف سیستم های احتراق سوخت های فسیلی، برای تولید برق به هوا نیاز ندارند. بنابراین، یک زیردریایی هسته ای می تواند برای مدت طولانی در زیر آب بماند، در حالی که یک زیردریایی دیزلی-الکتریکی معمولی باید به طور دوره ای به سطح زمین برود تا موتورهای خود را در هوا روشن کند. نیروی هسته ای یک مزیت استراتژیک به کشتی های نیروی دریایی می دهد. نیاز به سوخت‌گیری در بنادر خارجی یا نفت‌کش‌های آسیب‌پذیر را از بین می‌برد.
اصل عملکرد یک راکتور هسته ای بر روی یک زیردریایی طبقه بندی شده است. با این حال، مشخص است که در ایالات متحده از اورانیوم بسیار غنی شده استفاده می کند و کاهش سرعت و خنک شدن آن توسط آب سبک انجام می شود. طراحی اولین رآکتور زیردریایی هسته ای یو اس اس ناتیلوس به شدت تحت تأثیر تأسیسات تحقیقاتی قدرتمند بود. ویژگی های منحصر به فرد آن حاشیه واکنش پذیری بسیار زیاد است که یک دوره طولانی کارکرد بدون سوخت گیری و امکان راه اندازی مجدد پس از توقف را تضمین می کند. ایستگاه برق در زیربناها باید بسیار ساکت باشد تا تشخیص داده نشود. برای پاسخگویی به نیازهای خاص کلاس های مختلف زیردریایی، مدل های مختلفی از نیروگاه ها ایجاد شد.
ناوهای هواپیمابر نیروی دریایی ایالات متحده از یک راکتور هسته ای استفاده می کنند که اعتقاد بر این است که اصل آن از بزرگترین زیردریایی ها به عاریت گرفته شده است. جزئیات طراحی آنها نیز منتشر نشده است.
علاوه بر ایالات متحده، انگلیس، فرانسه، روسیه، چین و هند زیردریایی های هسته ای دارند. در هر مورد، طرح فاش نشد، اما اعتقاد بر این است که همه آنها بسیار شبیه هستند - ایننتیجه همان الزامات برای مشخصات فنی آنها است. روسیه همچنین ناوگان کوچکی از یخ شکن های هسته ای دارد که همان راکتورهای زیردریایی های شوروی را دارند.
تاسیسات صنعتی
برای تولید پلوتونیوم 239 با درجه تسلیحات از یک راکتور هسته ای استفاده می شود که اصل آن بهره وری بالا با تولید انرژی پایین است. این به دلیل این واقعیت است که ماندن طولانی پلوتونیوم در هسته منجر به تجمع ناخواسته 240Pu.
می شود.
تولید تریتیوم
در حال حاضر، ماده اصلی تولید شده توسط چنین سیستم‌هایی تریتیوم است (3H یا T)، شارژ بمب‌های هیدروژنی. پلوتونیوم-239 نیمه عمر طولانی 24100 سال دارد، بنابراین کشورهایی که دارای زرادخانه تسلیحات هسته ای از این عنصر هستند، تمایل دارند بیشتر از نیازشان از آن برخوردار باشند. برخلاف 239Pu، نیمه عمر تریتیوم تقریباً 12 سال است. بنابراین، برای حفظ منابع لازم، این ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن باید به طور مداوم تولید شود. برای مثال، در ایالات متحده، رودخانه ساوانا، کارولینای جنوبی، چندین راکتور آب سنگین دارد که تریتیوم تولید می‌کنند.
نیروهای شناور
راکتورهای هسته ای ایجاد شده اند که می توانند برق و گرمایش بخار را برای مناطق دورافتاده فراهم کنند. برای مثال در روسیه کاربرد پیدا کرده اندنیروگاه های کوچکی که به طور خاص برای خدمات رسانی به جوامع قطب شمال طراحی شده اند. در چین، یک نیروگاه 10 مگاواتی HTR-10 گرما و برق را برای مؤسسه تحقیقاتی که در آن قرار دارد تأمین می کند. راکتورهای کنترل شده کوچک با قابلیت های مشابه در سوئد و کانادا در حال توسعه هستند. بین سال‌های 1960 و 1972، ارتش ایالات متحده از راکتورهای آب فشرده برای تامین انرژی پایگاه‌های دوردست در گرینلند و قطب جنوب استفاده کرد. آنها با نیروگاه های نفتی جایگزین شده اند.
اکتشاف فضا
علاوه بر این، راکتورهایی برای تامین انرژی و حرکت در فضای بیرونی ساخته شده اند. بین سال‌های 1967 و 1988، اتحاد جماهیر شوروی تأسیسات هسته‌ای کوچکی را بر روی ماهواره‌های Kosmos نصب کرد تا تجهیزات و تله‌متری را تأمین کند، اما این سیاست هدف انتقاد قرار گرفت. حداقل یکی از این ماهواره ها وارد جو زمین شد و در نتیجه مناطق دورافتاده کانادا رادیواکتیو آلوده شد. ایالات متحده تنها یک ماهواره هسته ای را در سال 1965 پرتاب کرد. با این حال، پروژه‌هایی برای استفاده از آنها در پروازهای اعماق فضایی، اکتشاف سرنشین‌دار سیارات دیگر، یا در پایگاه دائمی ماه همچنان در حال توسعه هستند. این لزوماً یک راکتور هسته‌ای خنک‌شده با گاز یا فلز مایع خواهد بود، که اصول فیزیکی آن بالاترین دمای ممکن را برای به حداقل رساندن اندازه رادیاتور فراهم می‌کند. علاوه بر این، یک راکتور فضایی باید تا حد امکان فشرده باشد تا مقدار مواد مورد استفاده برای آن به حداقل برسدمحافظ، و کاهش وزن در طول پرتاب و پرواز فضایی. ذخیره سوخت عملکرد رآکتور را برای کل دوره پرواز فضایی تضمین می کند.
