Thiết bị và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân dựa trên việc khởi tạo và điều khiển phản ứng hạt nhân tự duy trì. Nó được sử dụng như một công cụ nghiên cứu, sản xuất đồng vị phóng xạ và làm nguồn điện cho các nhà máy điện hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân: cách hoạt động (ngắn gọn)
Ở đây, quá trình phân hạch hạt nhân được sử dụng, trong đó một hạt nhân nặng bị vỡ thành hai mảnh nhỏ hơn. Những mảnh vỡ này ở trạng thái kích thích cao và phát ra neutron, các hạt hạ nguyên tử khác và photon. Nơtron có thể gây ra những phân hạch mới, do đó nhiều nơtron được phát ra hơn, v.v. Chuỗi phân tách tự duy trì liên tục như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền. Đồng thời, một lượng lớn năng lượng được giải phóng, việc sản xuất ra nhằm mục đích sử dụng các nhà máy điện hạt nhân.
Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân là sao cho khoảng 85% năng lượng phân hạch được giải phóng trong khoảng thời gian rất ngắn sau khi bắt đầu phản ứng. Phần còn lại được sản xuất tạikết quả của sự phân rã phóng xạ của các sản phẩm phân hạch sau khi chúng phát ra các nơtron. Phân rã phóng xạ là quá trình nguyên tử đạt đến trạng thái ổn định hơn. Nó vẫn tiếp tục ngay cả sau khi quá trình phân chia hoàn thành.
Trong bom nguyên tử, phản ứng dây chuyền tăng cường độ cho đến khi phần lớn vật chất bị tách ra. Điều này xảy ra rất nhanh, tạo ra những vụ nổ cực mạnh đặc trưng của những quả bom như vậy. Thiết bị và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân dựa trên việc duy trì phản ứng dây chuyền ở mức được kiểm soát, gần như không đổi. Nó được thiết kế theo cách không thể phát nổ như bom nguyên tử.
Phản ứng dây chuyền và mức độ nghiêm trọng
Vật lý của lò phản ứng phân hạch hạt nhân là phản ứng dây chuyền được xác định bằng xác suất phân hạch hạt nhân sau khi phát xạ neutron. Nếu dân số của loài sau giảm, thì tỷ lệ phân hạch cuối cùng sẽ giảm xuống không. Trong trường hợp này, lò phản ứng sẽ ở trạng thái tới hạn. Nếu số lượng nơtron được duy trì ở mức không đổi, thì tốc độ phân hạch sẽ vẫn ổn định. Lò phản ứng sẽ trong tình trạng nguy cấp. Và cuối cùng, nếu dân số neutron tăng lên theo thời gian, tốc độ phân hạch và sức mạnh sẽ tăng lên. Phần lõi sẽ trở nên siêu tới hạn.
Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân như sau. Trước khi ra mắt, dân số neutron gần bằng không. Các nhà điều hành sau đó loại bỏ các thanh điều khiển khỏi lõi, làm tăng sự phân hạch hạt nhân, tạm dịch làlò phản ứng ở trạng thái siêu tới hạn. Sau khi đạt đến công suất danh định, người vận hành trả lại một phần các thanh điều khiển, điều chỉnh số lượng neutron. Trong tương lai, lò phản ứng được duy trì trong tình trạng nguy cấp. Khi cần dừng lại, người vận hành lắp các thanh hoàn toàn vào. Điều này ngăn chặn sự phân hạch và đưa phần lõi đến trạng thái tới hạn.
Các loại lò phản ứng
Hầu hết các cơ sở lắp đặt hạt nhân trên thế giới đều tạo ra năng lượng, tạo ra nhiệt lượng cần thiết để làm quay các tuabin dẫn động các máy phát điện. Ngoài ra còn có nhiều lò phản ứng nghiên cứu và một số quốc gia có tàu ngầm hoặc tàu nổi chạy bằng năng lượng hạt nhân.
Nhà máy điện
Có một số loại lò phản ứng kiểu này, nhưng thiết kế dạng nước nhẹ đã được ứng dụng rộng rãi. Đổi lại, nó có thể sử dụng nước điều áp hoặc nước sôi. Trong trường hợp đầu tiên, chất lỏng dưới áp suất cao được làm nóng bởi nhiệt của lõi và đi vào bộ sinh hơi. Ở đó nhiệt lượng từ mạch sơ cấp truyền sang mạch thứ cấp cũng chứa nước. Hơi nước được tạo ra cuối cùng đóng vai trò là chất lỏng hoạt động trong chu trình tuabin hơi.
Lò phản ứng kiểu sôi hoạt động theo nguyên tắc chu trình năng lượng trực tiếp. Nước đi qua vùng hoạt động được đun sôi ở mức áp suất trung bình. Hơi nước bão hòa đi qua một loạt thiết bị phân tách và máy sấy nằm trong bình lò phản ứng, đưa nó đếntrạng thái quá nhiệt. Hơi nước quá nhiệt sau đó được sử dụng làm chất lỏng hoạt động để quay tuabin.
Làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao
Lò phản ứng làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao (HTGR) là một lò phản ứng hạt nhân có nguyên tắc hoạt động dựa trên việc sử dụng hỗn hợp các vi cầu than chì và nhiên liệu làm nhiên liệu. Có hai thiết kế cạnh tranh:
- Hệ thống "nạp đầy" của Đức sử dụng pin nhiên liệu hình cầu đường kính 60 mm, là hỗn hợp than chì và nhiên liệu trong một vỏ than chì;
- Phiên bản Mỹ ở dạng lăng kính lục giác bằng than chì lồng vào nhau để tạo thành vùng hoạt động.
Trong cả hai trường hợp, chất làm mát bao gồm heli ở áp suất khoảng 100 atm. Trong hệ thống của Đức, heli đi qua các lỗ hổng trong lớp các phần tử nhiên liệu hình cầu, và trong hệ thống của Mỹ, qua các lỗ trong lăng kính graphite nằm dọc theo trục của vùng trung tâm của lò phản ứng. Cả hai lựa chọn đều có thể hoạt động ở nhiệt độ rất cao, vì than chì có nhiệt độ thăng hoa cực cao, trong khi heli hoàn toàn trơ về mặt hóa học. Heli nóng có thể được sử dụng trực tiếp làm chất lỏng hoạt động trong tuabin khí ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt của nó có thể được sử dụng để tạo ra hơi nước trong chu trình.
Lò phản ứng hạt nhân kim loại lỏng: sơ đồ và nguyên lý hoạt động
Lò phản ứng neutron nhanh với chất làm mát natri đã nhận được nhiều sự quan tâm trong những năm 1960 và 1970. sau đódường như khả năng tái tạo nhiên liệu hạt nhân của họ trong tương lai gần là cần thiết để sản xuất nhiên liệu cho ngành công nghiệp hạt nhân đang phát triển nhanh chóng. Vào những năm 1980, khi sự kỳ vọng này trở nên viển vông, sự nhiệt tình trở nên rõ ràng hơn vào những năm 1980. Tuy nhiên, một số lò phản ứng kiểu này đã được xây dựng ở Mỹ, Nga, Pháp, Anh, Nhật Bản và Đức. Hầu hết chúng chạy bằng uranium dioxide hoặc hỗn hợp của nó với plutonium dioxide. Tuy nhiên, ở Hoa Kỳ, thành công lớn nhất là với nhiên liệu kim loại.
KẸO
Canada đã tập trung nỗ lực vào các lò phản ứng sử dụng uranium tự nhiên. Điều này loại bỏ nhu cầu làm giàu của nó để sử dụng các dịch vụ của các quốc gia khác. Kết quả của chính sách này là lò phản ứng deuterium-uranium (CANDU). Điều khiển và làm mát trong nó được thực hiện bởi nước nặng. Thiết bị và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân là sử dụng bình có nhiệt độ lạnh D2O ở áp suất khí quyển. Lõi được xuyên thủng bởi các đường ống làm bằng hợp kim zirconium với nhiên liệu uranium tự nhiên, qua đó nước nặng làm nguội nó. Điện được sản xuất bằng cách truyền nhiệt của quá trình phân hạch trong nước nặng sang chất làm mát được lưu thông qua bộ tạo hơi nước. Sau đó hơi nước trong mạch thứ cấp sẽ đi qua chu trình tuabin bình thường.
Nghiên cứu cài đặt
Đối với nghiên cứu khoa học, lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng nhiều nhất, nguyên lý của lò là sử dụng nước làm mát vàcác nguyên tố nhiên liệu uranium dạng lamellar ở dạng tập hợp. Có khả năng hoạt động trên nhiều mức công suất, từ vài kilowatt đến hàng trăm megawatt. Vì phát điện không phải là nhiệm vụ chính của các lò phản ứng nghiên cứu, chúng được đặc trưng bởi nhiệt năng sinh ra, mật độ và năng lượng danh nghĩa của neutron trong lõi. Chính những thông số này giúp định lượng khả năng tiến hành khảo sát cụ thể của lò phản ứng nghiên cứu. Hệ thống công suất thấp thường được sử dụng trong các trường đại học cho mục đích giảng dạy, trong khi hệ thống công suất cao cần thiết trong phòng thí nghiệm R&D để kiểm tra vật liệu và hiệu suất cũng như nghiên cứu chung.
Lò phản ứng hạt nhân được nghiên cứu phổ biến nhất, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng như sau. Vùng hoạt động của nó nằm ở đáy của một vực nước sâu lớn. Điều này giúp đơn giản hóa việc quan sát và bố trí các kênh mà qua đó các chùm neutron có thể được định hướng. Ở mức công suất thấp, không cần làm chảy chất làm mát, vì sự đối lưu tự nhiên của chất làm mát cung cấp đủ tản nhiệt để duy trì tình trạng hoạt động an toàn. Bộ trao đổi nhiệt thường được đặt trên bề mặt hoặc trên đỉnh của hồ bơi, nơi tích tụ nước nóng.
Ship lắp đặt
Việc sử dụng ban đầu và chính của lò phản ứng hạt nhân là trong tàu ngầm. Lợi thế chính của họ làrằng, không giống như các hệ thống đốt nhiên liệu hóa thạch, chúng không cần không khí để tạo ra điện. Do đó, tàu ngầm hạt nhân có thể chìm trong nước trong thời gian dài, trong khi tàu ngầm diesel-điện thông thường phải định kỳ trồi lên mặt nước để khởi động động cơ trên không. Năng lượng hạt nhân mang lại lợi thế chiến lược cho các tàu của Hải quân. Nó giúp loại bỏ nhu cầu tiếp nhiên liệu tại các cảng nước ngoài hoặc từ các tàu chở dầu dễ bị tổn thương.
Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm được phân loại. Tuy nhiên, người ta biết rằng ở Hoa Kỳ, nó sử dụng uranium được làm giàu cao, và làm chậm và làm mát được thực hiện bằng nước nhẹ. Thiết kế của lò phản ứng đầu tiên của tàu ngầm hạt nhân USS Nautilus bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các cơ sở nghiên cứu mạnh mẽ. Các tính năng độc đáo của nó là một biên độ phản ứng rất lớn, đảm bảo một thời gian dài hoạt động mà không cần tiếp nhiên liệu và khả năng khởi động lại sau khi dừng. Trạm phát điện trong khu vực phụ phải rất yên tĩnh để tránh bị phát hiện. Để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các lớp tàu ngầm khác nhau, các mô hình nhà máy điện khác nhau đã được tạo ra.
Các tàu sân bay của Hải quân Hoa Kỳ sử dụng một lò phản ứng hạt nhân, nguyên lý của lò này được cho là mượn từ các tàu ngầm lớn nhất. Thông tin chi tiết về thiết kế của họ cũng chưa được tiết lộ.
Ngoài Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ đều có tàu ngầm hạt nhân. Trong mỗi trường hợp, thiết kế không được tiết lộ, nhưng người ta tin rằng tất cả chúng đều rất giống nhau - điều nàylà hệ quả của các yêu cầu giống nhau đối với các đặc tính kỹ thuật của chúng. Nga cũng có một hạm đội tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân nhỏ có lò phản ứng giống như tàu ngầm của Liên Xô.
Lắp đặt công nghiệp
Để sản xuất plutonium-239 cấp vũ khí, một lò phản ứng hạt nhân được sử dụng, nguyên tắc của nó là năng suất cao với mức sản xuất năng lượng thấp. Điều này là do thực tế là plutonium ở lại lâu trong lõi dẫn đến sự tích tụ của240Pu.
không mong muốn
Sản xuất tritium
Hiện tại, vật liệu chính được sản xuất bởi các hệ thống như vậy là tritium (3H hoặc T), chất mang cho bom khinh khí. Plutonium-239 có chu kỳ bán rã dài 24.100 năm, vì vậy các quốc gia có kho vũ khí hạt nhân sử dụng nguyên tố này có xu hướng có nhiều hơn mức họ cần. Không giống như239Pu, tritium có chu kỳ bán rã khoảng 12 năm. Vì vậy, để duy trì nguồn cung cấp cần thiết, đồng vị phóng xạ này của hydro phải được sản xuất liên tục. Ví dụ, ở Hoa Kỳ, sông Savannah, Nam Carolina, có một số lò phản ứng nước nặng tạo ra triti.
Bộ nguồn nổi
Lò phản ứng hạt nhân đã được tạo ra có thể cung cấp điện và sưởi ấm bằng hơi nước cho những vùng hẻo lánh xa xôi. Ở Nga, chẳng hạn, đã tìm thấy ứng dụngcác nhà máy điện nhỏ được thiết kế đặc biệt để phục vụ các cộng đồng ở Bắc Cực. Tại Trung Quốc, một nhà máy HTR-10 10 MW cung cấp nhiệt và điện cho viện nghiên cứu nơi nó đặt trụ sở. Các lò phản ứng nhỏ có điều khiển với khả năng tương tự đang được phát triển ở Thụy Điển và Canada. Từ năm 1960 đến năm 1972, Quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng các lò phản ứng nước nhỏ gọn để cung cấp năng lượng cho các căn cứ xa xôi ở Greenland và Nam Cực. Chúng đã được thay thế bằng các nhà máy điện chạy bằng dầu.
Khám phá không gian
Ngoài ra, các lò phản ứng đã được phát triển để cung cấp năng lượng và chuyển động trong không gian vũ trụ. Giữa năm 1967 và 1988, Liên Xô đã lắp đặt các cơ sở hạt nhân nhỏ trên vệ tinh Kosmos để cung cấp năng lượng cho thiết bị và máy đo từ xa, nhưng chính sách này đã trở thành mục tiêu bị chỉ trích. Ít nhất một trong số các vệ tinh này đã đi vào bầu khí quyển của Trái đất, dẫn đến việc các khu vực xa xôi của Canada bị nhiễm phóng xạ. Hoa Kỳ chỉ phóng một vệ tinh chạy bằng năng lượng hạt nhân vào năm 1965. Tuy nhiên, các dự án sử dụng chúng trong các chuyến bay không gian sâu, thám hiểm hành tinh có người lái hoặc trên mặt trăng vĩnh viễn vẫn tiếp tục được phát triển. Nó nhất thiết phải là một lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí hoặc kim loại lỏng, các nguyên tắc vật lý của nó sẽ cung cấp nhiệt độ cao nhất có thể cần thiết để giảm thiểu kích thước của bộ tản nhiệt. Ngoài ra, một lò phản ứng không gian phải càng nhỏ gọn càng tốt để giảm thiểu lượng vật liệu được sử dụng choche chắn, và để giảm trọng lượng trong quá trình phóng và bay vào vũ trụ. Dự trữ nhiên liệu sẽ đảm bảo hoạt động của lò phản ứng trong toàn bộ thời gian của chuyến bay vào vũ trụ.
