Միջուկային ռեակտորի սարքը և աշխատանքի սկզբունքը հիմնված են ինքնապահպանվող միջուկային ռեակցիայի սկզբնավորման և կառավարման վրա: Այն օգտագործվում է որպես հետազոտական գործիք, ռադիոակտիվ իզոտոպների արտադրության և որպես ատոմակայանների էներգիայի աղբյուր։
Միջուկային ռեակտոր. ինչպես է այն աշխատում (համառոտ)
Այստեղ օգտագործվում է միջուկային տրոհման գործընթացը, որի ժամանակ ծանր միջուկը բաժանվում է երկու փոքր բեկորների: Այս բեկորները գտնվում են խիստ գրգռված վիճակում և արձակում են նեյտրոններ, այլ ենթաատոմային մասնիկներ և ֆոտոններ։ Նեյտրոնները կարող են առաջացնել նոր տրոհումներ, որոնց արդյունքում ավելի շատ նեյտրոններ են արտանետվում և այլն։ Այսպիսի շարունակական ինքնապահպանվող պառակտումների շարքը կոչվում է շղթայական ռեակցիա: Միաժամանակ արտանետվում է մեծ քանակությամբ էներգիա, որի արտադրությունը ատոմակայանների օգտագործման նպատակն է։
Ատոմային ռեակտորի և ատոմակայանի աշխատանքի սկզբունքն այնպիսին է, որ տրոհման էներգիայի մոտ 85%-ն ազատվում է ռեակցիայի մեկնարկից հետո շատ կարճ ժամանակահատվածում։ Մնացածը արտադրվում էտրոհման արտադրանքների ռադիոակտիվ քայքայման արդյունք՝ նեյտրոններ արտանետելուց հետո։ Ռադիոակտիվ քայքայումն այն գործընթացն է, որով ատոմը հասնում է ավելի կայուն վիճակի։ Այն շարունակվում է նույնիսկ բաժանման ավարտից հետո։
Ատոմային ռումբում շղթայական ռեակցիայի ինտենսիվությունը մեծանում է այնքան ժամանակ, մինչև նյութի մեծ մասը մասնատվի: Դա տեղի է ունենում շատ արագ՝ առաջացնելով նման ռումբերին բնորոշ չափազանց հզոր պայթյուններ։ Միջուկային ռեակտորի սարքը և աշխատանքի սկզբունքը հիմնված են շղթայական ռեակցիան վերահսկվող, գրեթե հաստատուն մակարդակում պահպանելու վրա։ Այն նախագծված է այնպես, որ այն չի կարող պայթել ատոմային ռումբի նման։
Շղթայական ռեակցիա և քննադատականություն
Միջուկային տրոհման ռեակտորի ֆիզիկան այն է, որ շղթայական ռեակցիան որոշվում է նեյտրոնների արտանետումից հետո միջուկային տրոհման հավանականությամբ: Եթե վերջիններիս պոպուլյացիան նվազի, ապա տրոհման արագությունը ի վերջո կիջնի զրոյի։ Այս դեպքում ռեակտորը կլինի ենթակրիտիկական վիճակում։ Եթե նեյտրոնների պոպուլյացիան պահպանվի մշտական մակարդակում, ապա տրոհման արագությունը կմնա կայուն։ Ռեակտորը կլինի ծանր վիճակում։ Եվ վերջապես, եթե նեյտրոնների պոպուլյացիան ժամանակի ընթացքում աճի, տրոհման արագությունը և հզորությունը կավելանան: Միջուկը կդառնա գերկրիտիկական։
Միջուկային ռեակտորի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն է. Մինչ գործարկումը նեյտրոնների պոպուլյացիան մոտ է զրոյի։ Այնուհետև օպերատորները հեռացնում են հսկիչ ձողերը միջուկից՝ մեծացնելով միջուկային տրոհումը, ինչը ժամանակավորապես թարգմանվում է.ռեակտոր մինչև գերկրիտիկական վիճակ. Անվանական հզորությանը հասնելուց հետո օպերատորները մասամբ վերադարձնում են հսկիչ ձողերը՝ կարգավորելով նեյտրոնների քանակը։ Հետագայում ռեակտորը կպահպանվի կրիտիկական վիճակում։ Երբ այն պետք է դադարեցվի, օպերատորներն ամբողջությամբ տեղադրում են ձողերը: Սա ճնշում է տրոհումը և միջուկը բերում է ենթակրիտիկական վիճակի:
Ռեակտորների տեսակները
Աշխարհի միջուկային կայանքների մեծ մասը էներգիա է արտադրում, որն արտադրում է ջերմություն, որն անհրաժեշտ է էլեկտրական էներգիայի գեներատորներ շարժող տուրբինները պտտելու համար: Կան նաև բազմաթիվ հետազոտական ռեակտորներ, և որոշ երկրներ ունեն միջուկային էներգիայով աշխատող սուզանավեր կամ վերգետնյա նավեր:
էլեկտրակայաններ
Այս տեսակի ռեակտորների մի քանի տեսակներ կան, սակայն թեթև ջրի դիզայնը լայն կիրառություն է գտել: Իր հերթին այն կարող է օգտագործել ճնշված ջուր կամ եռացող ջուր: Առաջին դեպքում բարձր ճնշման տակ գտնվող հեղուկը ջեռուցվում է միջուկի ջերմությամբ և մտնում է գոլորշու գեներատոր: Այնտեղ առաջնային շղթայից ջերմությունը փոխանցվում է երկրորդին, որը նույնպես ջուր է պարունակում։ Վերջիվերջո առաջացած գոլորշին ծառայում է որպես գոլորշու տուրբինի ցիկլի աշխատանքային հեղուկ:
Եռման տիպի ռեակտորը գործում է ուղղակի էներգիայի ցիկլի սկզբունքով։ Ջուրը, անցնելով ակտիվ գոտու միջով, եռում է միջին ճնշման մակարդակով։ Հագեցած գոլորշին անցնում է մի շարք բաժանարարների և չորանոցների միջով, որոնք տեղակայված են ռեակտորի անոթում, ինչը բերում է նրան.գերտաքացած վիճակ. Այնուհետև գերտաքացած ջրի գոլորշին օգտագործվում է որպես աշխատանքային հեղուկ՝ տուրբինը պտտելու համար:
Բարձր ջերմաստիճանի գազով սառեցված
Բարձր ջերմաստիճանի գազով սառեցված ռեակտորը (HTGR) միջուկային ռեակտոր է, որի շահագործման սկզբունքը հիմնված է գրաֆիտի և վառելիքի միկրոսֆերաների խառնուրդի օգտագործման վրա որպես վառելիք: Կան երկու մրցակցող դիզայն՝
- Գերմանական «լրացուցիչ» համակարգ, որն օգտագործում է 60 մմ տրամագծով գնդաձև վառելիքի բջիջներ, որոնք գրաֆիտի և վառելիքի խառնուրդ են գրաֆիտի պատյանում;
- Ամերիկյան տարբերակ՝ գրաֆիտի վեցանկյուն պրիզմաների տեսքով, որոնք փոխկապակցված են՝ ձևավորելով ակտիվ գոտի:
Երկու դեպքում էլ հովացուցիչ նյութը բաղկացած է հելիումից՝ մոտ 100 մթնոլորտ ճնշման տակ: Գերմանական համակարգում հելիումն անցնում է գնդաձեւ վառելիքի տարրերի շերտի բացերով, իսկ ամերիկյան համակարգում՝ ռեակտորի կենտրոնական գոտու առանցքի երկայնքով տեղակայված գրաֆիտային պրիզմաների անցքերով։ Երկու տարբերակներն էլ կարող են գործել շատ բարձր ջերմաստիճաններում, քանի որ գրաֆիտը ունի չափազանց բարձր սուբլիմացիայի ջերմաստիճան, մինչդեռ հելիումը քիմիապես ամբողջովին իներտ է: Տաք հելիումը կարող է ուղղակիորեն կիրառվել որպես աշխատանքային հեղուկ գազատուրբինում բարձր ջերմաստիճանում, կամ դրա ջերմությունը կարող է օգտագործվել ջրի ցիկլային գոլորշու առաջացման համար:
Հեղուկ մետաղական միջուկային ռեակտոր. աշխատանքի սխեման և սկզբունքը
Նատրիումի հովացուցիչ նյութով արագ նեյտրոնային ռեակտորները մեծ ուշադրության արժանացան 1960-ականներին և 1970-ականներին: Հետոթվում էր, որ մոտ ապագայում միջուկային վառելիքը վերարտադրելու նրանց կարողությունն անհրաժեշտ է արագ զարգացող միջուկային արդյունաբերության համար վառելիք արտադրելու համար։ Երբ 1980-ականներին պարզ դարձավ, որ այդ ակնկալիքն իրատեսական չէ, խանդավառությունը մարեց։ Սակայն նման տիպի մի շարք ռեակտորներ կառուցվել են ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում, Ֆրանսիայում, Մեծ Բրիտանիայում, Ճապոնիայում և Գերմանիայում։ Դրանց մեծ մասը աշխատում է ուրանի երկօքսիդի կամ դրա խառնուրդի վրա պլուտոնիումի երկօքսիդի հետ: Միացյալ Նահանգներում, սակայն, ամենամեծ հաջողությունը եղել է մետաղական վառելիքի հետ:
CANDU
Կանադան իր ջանքերը կենտրոնացրել է բնական ուրան օգտագործող ռեակտորների վրա: Սա վերացնում է դրա հարստացման անհրաժեշտությունը՝ դիմելու այլ երկրների ծառայություններին։ Այս քաղաքականության արդյունքը դարձավ դեյտերիում-ուրանի ռեակտորը (CANDU): Հսկումն ու հովացումը դրանում իրականացվում է ծանր ջրով։ Միջուկային ռեակտորի սարքը և աշխատանքի սկզբունքը մթնոլորտային ճնշման տակ սառը D2O տանկ օգտագործելն է: Միջուկը ծակվում է բնական ուրանի վառելիքով ցիրկոնիումի համաձուլվածքից պատրաստված խողովակներով, որոնց միջոցով ծանր ջուրը սառեցնում է այն։ Էլեկտրաէներգիան արտադրվում է ծանր ջրի մեջ տրոհման ջերմությունը փոխանցելով հովացուցիչ նյութին, որը շրջանառվում է գոլորշու գեներատորի միջոցով: Այնուհետև երկրորդային շղթայում գոլորշին անցնում է սովորական տուրբինային ցիկլով:
Հետազոտական տեղակայումներ
Գիտական հետազոտությունների համար առավել հաճախ օգտագործվում է միջուկային ռեակտոր, որի սկզբունքն է օգտագործել ջրային սառեցում ևշերտավոր ուրանի վառելիքի տարրեր հավաքների տեսքով: Կարող է աշխատել հզորության լայն տիրույթում` մի քանի կիլովատից մինչև հարյուրավոր մեգավատ: Քանի որ էներգիայի արտադրությունը հետազոտական ռեակտորների հիմնական խնդիրը չէ, դրանք բնութագրվում են միջուկում նեյտրոնների առաջացած ջերմային էներգիայով, խտությամբ և անվանական էներգիայով: Հենց այս պարամետրերն են օգնում քանակականացնել հետազոտական ռեակտորի՝ կոնկրետ հետազոտություններ իրականացնելու կարողությունը: Ցածր էներգիայի համակարգերը սովորաբար օգտագործվում են համալսարաններում դասավանդման նպատակով, մինչդեռ բարձր էներգիայի համակարգերը անհրաժեշտ են գիտահետազոտական լաբորատորիաներում՝ նյութի և կատարողականի փորձարկման և ընդհանուր հետազոտությունների համար:
Ամենատարածված հետազոտական միջուկային ռեակտորը, որի կառուցվածքը և աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն են. Նրա ակտիվ գոտին գտնվում է ջրի մեծ խորը ավազանի հատակին։ Սա հեշտացնում է ալիքների դիտարկումը և տեղադրումը, որոնց միջոցով կարելի է ուղղորդել նեյտրոնային ճառագայթները: Ցածր հզորության մակարդակներում հովացուցիչ նյութը արյունահոսելու կարիք չկա, քանի որ հովացուցիչ նյութի բնական կոնվեկցիան ապահովում է բավականաչափ ջերմություն՝ անվտանգ աշխատանքային վիճակը պահպանելու համար: Ջերմափոխանակիչը սովորաբար գտնվում է լողավազանի մակերեսին կամ վերին մասում, որտեղ տաք ջուր է կուտակվում:
Նավերի տեղադրում
Միջուկային ռեակտորների սկզբնական և հիմնական օգտագործումը սուզանավերում է: Նրանց հիմնական առավելությունն էոր, ի տարբերություն հանածո վառելիքի այրման համակարգերի, դրանք օդ չեն պահանջում էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ Հետևաբար, միջուկային սուզանավը կարող է երկար ժամանակ ջրի տակ մնալ, մինչդեռ սովորական դիզելային-էլեկտրական սուզանավը պետք է պարբերաբար բարձրանա մակերես՝ օդում շարժիչները գործարկելու համար: Միջուկային էներգիան ռազմավարական առավելություն է տալիս նավատորմի նավերին։ Այն վերացնում է օտարերկրյա նավահանգիստներում կամ խոցելի լցանավերից վառելիքով լիցքավորելու անհրաժեշտությունը:
Սուզանավի վրա միջուկային ռեակտորի շահագործման սկզբունքը դասակարգված է. Սակայն հայտնի է, որ ԱՄՆ-ում օգտագործում է բարձր հարստացված ուրան, իսկ դանդաղեցումն ու հովացումը կատարվում է թեթեւ ջրով։ USS Nautilus միջուկային սուզանավի առաջին ռեակտորի նախագծման վրա մեծ ազդեցություն են ունեցել գիտահետազոտական հզոր օբյեկտները: Նրա եզակի առանձնահատկություններն են ռեակտիվության շատ մեծ մարժան, որն ապահովում է երկարատև աշխատանք առանց վառելիքի լիցքավորման և կանգառից հետո վերագործարկման հնարավորություն: Ենթակայանում գտնվող էլեկտրակայանը պետք է շատ անաղմուկ լինի՝ հայտնաբերումից խուսափելու համար: Տարբեր դասերի սուզանավերի հատուկ կարիքները բավարարելու համար ստեղծվել են էլեկտրակայանների տարբեր մոդելներ։
ԱՄՆ նավատորմի ավիակիրներն օգտագործում են միջուկային ռեակտոր, որի սկզբունքը, ենթադրաբար, փոխառված է ամենամեծ սուզանավերից։ Նրանց դիզայնի մանրամասները նույնպես չեն հրապարակվել։
Բացի ԱՄՆ-ից, միջուկային սուզանավ ունեն Մեծ Բրիտանիան, Ֆրանսիան, Ռուսաստանը, Չինաստանը և Հնդկաստանը։ Յուրաքանչյուր դեպքում դիզայնը չի բացահայտվել, բայց ենթադրվում է, որ դրանք բոլորը շատ նման ենհետեւանք է դրանց տեխնիկական բնութագրերի նույն պահանջների։ Ռուսաստանն ունի նաև միջուկային էներգիայով աշխատող սառցահատների փոքր նավատորմ, որոնք ունեն նույն ռեակտորները, ինչ խորհրդային սուզանավերը։
Արդյունաբերական կայանքներ
Զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում-239 արտադրության համար օգտագործվում է միջուկային ռեակտոր, որի սկզբունքը բարձր արտադրողականություն է՝ էներգիայի արտադրության ցածր մակարդակով։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ միջուկում պլուտոնիումի երկար մնալը հանգեցնում է անցանկալի 240Pu.
-ի կուտակմանը:
Տրիտիումի արտադրություն
Ներկայումս նման համակարգերի կողմից արտադրվող հիմնական նյութը տրիտումն է (3H կամ T), որը լիցքավորում է ջրածնային ռումբերը: Պլուտոնիում-239-ն ունի երկար կիսամյակ՝ 24,100 տարի, ուստի միջուկային զենքի զինանոց ունեցող երկրները, որոնք օգտագործում են այս տարրը, հակված են այն ավելի շատ ունենալ, քան անհրաժեշտ է: Ի տարբերություն 239Pu-ի, տրիտիումի կիսատ կյանքը մոտավորապես 12 տարի է: Այսպիսով, անհրաժեշտ պաշարները պահպանելու համար ջրածնի այս ռադիոակտիվ իզոտոպը պետք է անընդհատ արտադրվի։ ԱՄՆ-ում, Հարավային Կարոլինայի Սավաննա գետը, օրինակ, ունի մի քանի ծանր ջրի ռեակտորներ, որոնք արտադրում են տրիտիում:
Լողացող էներգաբլոկներ
Ստեղծվել են
Միջուկային ռեակտորներ, որոնք կարող են էլեկտրաէներգիա և գոլորշու ջեռուցում ապահովել հեռավոր մեկուսացված տարածքներին: Ռուսաստանում, օրինակ, կիրառություն են գտելփոքր էլեկտրակայաններ, որոնք հատուկ նախագծված են արկտիկական համայնքներին սպասարկելու համար: Չինաստանում 10 ՄՎտ հզորությամբ HTR-10 կայանը ջերմություն և էներգիա է մատակարարում գիտահետազոտական ինստիտուտին, որտեղ այն գտնվում է: Նմանատիպ հնարավորություններով կառավարվող փոքր ռեակտորներ են մշակվում Շվեդիայում և Կանադայում։ 1960-1972 թվականներին ԱՄՆ բանակն օգտագործել է կոմպակտ ջրային ռեակտորներ Գրենլանդիայի և Անտարկտիդայի հեռավոր բազաները սնուցելու համար: Դրանք փոխարինվել են նավթով աշխատող էլեկտրակայաններով։
Տիեզերական հետազոտություն
Բացի այդ, ռեակտորներ են ստեղծվել էներգիայի մատակարարման և արտաքին տարածության մեջ շարժման համար: 1967-ից 1988 թվականներին Խորհրդային Միությունը փոքր միջուկային կայանքներ տեղադրեց Kosmos արբանյակների վրա սարքավորումների և հեռաչափության սնուցման համար, սակայն այս քաղաքականությունը դարձավ քննադատության թիրախ: Այս արբանյակներից առնվազն մեկը մտել է Երկրի մթնոլորտ, ինչի արդյունքում Կանադայի հեռավոր շրջանները ռադիոակտիվ աղտոտված են: Միացյալ Նահանգները 1965 թվականին արձակեց միայն մեկ միջուկային էներգիայով աշխատող արբանյակ: Այնուամենայնիվ, խորը տիեզերական թռիչքների, այլ մոլորակների օդաչուների հետախուզման կամ մշտական լուսնային բազայի վրա դրանց օգտագործման նախագծերը շարունակում են մշակվել: Այն անպայմանորեն կլինի գազով սառեցված կամ հեղուկ-մետաղով միջուկային ռեակտոր, որի ֆիզիկական սկզբունքները կապահովեն առավելագույն հնարավոր ջերմաստիճան, որն անհրաժեշտ է ռադիատորի չափը նվազագույնի հասցնելու համար: Բացի այդ, տիեզերական ռեակտորը պետք է հնարավորինս կոմպակտ լինի՝ նվազագույնի հասցնելու համար օգտագործվող նյութի քանակըպաշտպանություն և նվազեցնել քաշը արձակման և տիեզերք թռիչքի ժամանակ: Վառելիքի պաշարը կապահովի ռեակտորի աշխատանքը տիեզերական թռիչքի ողջ ժամանակահատվածում։
