Az atomreaktor berendezése és működési elve egy önfenntartó nukleáris reakció inicializálásán és vezérlésén alapul. Kutatási eszközként, radioaktív izotópok előállítására, valamint atomerőművek energiaforrásaként használják.
Atomreaktor: hogyan működik (röviden)
Itt a maghasadás folyamatát alkalmazzák, amelyben egy nehéz mag két kisebb darabra bomlik. Ezek a töredékek erősen gerjesztett állapotban vannak, és neutronokat, egyéb szubatomi részecskéket és fotonokat bocsátanak ki. A neutronok új hasadásokat okozhatnak, aminek következtében több neutron bocsát ki, és így tovább. A szakadások ilyen folyamatos önfenntartó sorozatát láncreakciónak nevezzük. Ezzel párhuzamosan nagy mennyiségű energia szabadul fel, melynek előállítása az atomerőművek felhasználásának célja.
Az atomreaktor és az atomerőmű működési elve olyan, hogy a hasadási energia körülbelül 85%-a a reakció megindulása után nagyon rövid időn belül szabadul fel. A többit ben gyártjáka hasadási termékek radioaktív bomlásának eredménye, miután neutronokat bocsátottak ki. A radioaktív bomlás az a folyamat, amelynek során egy atom stabilabb állapotba kerül. Az osztás befejezése után is folytatódik.
Az atombombában a láncreakció intenzitása addig növekszik, amíg az anyag nagy része szét nem hasad. Ez nagyon gyorsan megtörténik, és az ilyen bombákra jellemző rendkívül erős robbanásokat idézi elő. Az atomreaktor berendezése és működési elve a láncreakció ellenőrzött, szinte állandó szinten tartásán alapul. Úgy tervezték, hogy ne tudjon felrobbanni, mint egy atombomba.
Láncreakció és kritikusság
A maghasadásos reaktor fizikája az, hogy a láncreakciót a neutronkibocsátás utáni maghasadás valószínűsége határozza meg. Ha az utóbbiak populációja csökken, akkor a hasadási sebesség végül nullára csökken. Ebben az esetben a reaktor szubkritikus állapotba kerül. Ha a neutronok populációját állandó szinten tartják, akkor a hasadási sebesség stabil marad. A reaktor kritikus állapotba kerül. És végül, ha a neutronok populációja idővel növekszik, akkor a hasadási sebesség és a teljesítmény nő. A mag szuperkritikus lesz.
Az atomreaktor működési elve a következő. Kilövése előtt a neutronpopuláció közel nulla. A kezelők ezután eltávolítják a vezérlőrudakat a magról, növelve ezzel a maghasadást, ami átmenetileg átalakula reaktor szuperkritikus állapotba kerül. A névleges teljesítmény elérése után a kezelők részben visszaadják a vezérlőrudakat, beállítva a neutronok számát. A jövőben a reaktort kritikus állapotban tartják. Amikor le kell állítani, a kezelők teljesen behelyezik a rudakat. Ez elnyomja a hasadást, és a magot szubkritikus állapotba hozza.
Reaktortípusok
A világ legtöbb nukleáris létesítménye energiát termel, amely az elektromos áramfejlesztőket meghajtó turbinák forgatásához szükséges hőt állítja elő. Számos kutatóreaktor is működik, és egyes országokban vannak nukleáris meghajtású tengeralattjárók vagy felszíni hajók.
Erőművek
Többféle ilyen típusú reaktor létezik, de a könnyűvizes kialakítás széleskörű alkalmazásra talált. Használhat viszont túlnyomásos vizet vagy forrásban lévő vizet. Az első esetben a nagy nyomású folyadékot a mag hője felmelegíti, és belép a gőzfejlesztőbe. Ott a primer kör hője a szekunder körbe kerül, amely vizet is tartalmaz. A végül keletkező gőz munkaközegként szolgál a gőzturbinás ciklusban.
A forrás típusú reaktor a közvetlen energiaciklus elvén működik. Az aktív zónán áthaladó vizet átlagos nyomáson felforraljuk. A telített gőz a reaktortartályban elhelyezett szeparátorokon és szárítókon halad keresztül, amelyektúlhevített állapot. A túlhevített vízgőzt ezután munkaközegként használják a turbina forgatásához.
Magas hőmérsékletű gázhűtés
A High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) egy nukleáris reaktor, amelynek működési elve grafit és tüzelőanyag-mikrogömbök keverékének üzemanyagként való felhasználásán alapul. Két versengő terv van:
- Német "töltőanyag" rendszer, amely 60 mm átmérőjű gömb alakú üzemanyagcellákat használ, amelyek grafit és üzemanyag keveréke grafithéjban;
- Amerikai változat grafit hatszögletű prizmák formájában, amelyek összekapcsolódnak és aktív zónát alkotnak.
A hűtőfolyadék mindkét esetben körülbelül 100 atmoszféra nyomású héliumból áll. A német rendszerben a hélium a gömb alakú fűtőelemek rétegében lévő réseken, az amerikai rendszerben pedig a reaktor központi zónájának tengelye mentén elhelyezkedő grafitprizmák lyukain halad át. Mindkét lehetőség nagyon magas hőmérsékleten is működhet, mivel a grafit rendkívül magas szublimációs hőmérséklettel rendelkezik, míg a hélium kémiailag teljesen inert. A forró hélium közvetlenül alkalmazható munkaközegként egy gázturbinában magas hőmérsékleten, vagy hője felhasználható vízciklusú gőz előállítására.
Folyékony fém atomreaktor: séma és működési elv
A nátrium-hűtőfolyadékkal működő gyorsneutronreaktorok nagy figyelmet kaptak az 1960-as és 1970-es években. Azutánúgy tűnt, hogy a gyorsan fejlődő nukleáris ipar üzemanyag-előállításához szükséges a közeljövőben a nukleáris üzemanyag újratermelésére való képességük. Amikor az 1980-as években világossá vált, hogy ez az elvárás irreális, a lelkesedés elhalványult. Az USA-ban, Oroszországban, Franciaországban, Nagy-Britanniában, Japánban és Németországban azonban számos ilyen típusú reaktort építettek. Legtöbbjük urán-dioxiddal vagy annak plutónium-dioxiddal alkotott keverékével működik. Az Egyesült Államokban azonban a legnagyobb sikert a fémes üzemanyagok arattak.
CANDU
Kanada erőfeszítéseit a természetes uránt használó reaktorokra összpontosította. Ez kiküszöböli annak szükségességét, hogy gazdagítása más országok szolgáltatásait igénybe vegye. Ennek a politikának az eredménye a deutérium-urán reaktor (CANDU). Az irányítást és a hűtést nehézvíz végzi. Az atomreaktor szerkezete és működési elve az, hogy hideg D2O-t használnak légköri nyomáson. A magot cirkóniumötvözetből készült csövek szúrják át természetes urán üzemanyaggal, amelyen keresztül nehézvíz hűti azt. Az elektromosságot úgy állítják elő, hogy a nehézvízben a hasadási hőt hűtőközegbe adják át, amelyet a gőzgenerátoron keringetnek. A szekunder körben lévő gőz ezután áthalad a normál turbinacikluson.
Kutatási telepítések
Tudományos kutatáshoz leggyakrabban atomreaktort használnak, melynek elve vízhűtés ill.lamellás urán fűtőelemek szerelvények formájában. Néhány kilowatttól több száz megawattig sokféle teljesítményszinten képes működni. Mivel a kutatóreaktoroknak nem az áramtermelés a fő feladata, a zónában keletkező neutronok hőenergiája, sűrűsége és névleges energiája jellemzi őket. Ezek a paraméterek segítenek számszerűsíteni egy kutatóreaktor azon képességét, hogy konkrét felméréseket végezzenek. Az alacsony fogyasztású rendszereket jellemzően az egyetemeken használják oktatási célokra, míg a nagy teljesítményű rendszerekre a K+F laboratóriumokban van szükség anyag- és teljesítményvizsgálatokhoz, valamint általános kutatásokhoz.
A legelterjedtebb kutatási atomreaktor, melynek felépítése és működési elve a következő. Aktív zónája egy nagy mély vízmedence alján található. Ez leegyszerűsíti azoknak a csatornáknak a megfigyelését és elhelyezését, amelyeken keresztül a neutronsugarak irányíthatók. Alacsony teljesítményszinten nincs szükség a hűtőfolyadék légtelenítésére, mivel a hűtőfolyadék természetes konvekciója elegendő hőleadást biztosít a biztonságos üzemállapot fenntartásához. A hőcserélő általában a medence felszínén vagy tetején található, ahol a meleg víz felhalmozódik.
Hajószerelés
Az atomreaktorokat eredetileg és főként tengeralattjárókban használják. Fő előnyük azhogy a fosszilis tüzelőanyag-égető rendszerekkel ellentétben nem igényelnek levegőt az elektromos áram előállításához. Ezért egy nukleáris tengeralattjáró hosszú ideig víz alatt maradhat, míg a hagyományos dízel-elektromos tengeralattjáróknak időnként fel kell emelkedniük a felszínre, hogy a levegőben beindítsák a hajtóműveket. Az atomenergia stratégiai előnyt biztosít a haditengerészet hajóinak. Kiküszöböli annak szükségességét, hogy külföldi kikötőkben vagy sebezhető tartályhajókról tankoljanak.
A tengeralattjárón lévő atomreaktor működési elve minősített. Ismeretes azonban, hogy az USA-ban erősen dúsított uránt használ, a lassítást és a hűtést pedig könnyű víz végzi. A USS Nautilus nukleáris tengeralattjáró első reaktorának kialakítását erősen befolyásolták az erőteljes kutatói létesítmények. Egyedülálló jellemzői a nagyon nagy reaktivitási ráhagyás, amely hosszú üzemidőt biztosít tankolás nélkül és a leállás utáni újraindítás lehetőségét. Az észlelés elkerülése érdekében a tengeralattjárókban lévő erőműnek nagyon csendesnek kell lennie. A különböző osztályú tengeralattjárók speciális igényeinek kielégítésére különféle erőművek modelleket hoztak létre.
Az amerikai haditengerészet repülőgép-hordozói nukleáris reaktort használnak, amelynek elvét vélhetően a legnagyobb tengeralattjáróktól kölcsönözték. Tervezésük részleteit szintén nem hozták nyilvánosságra.
Az Egyesült Államokon kívül az Egyesült Királyságnak, Franciaországnak, Oroszországnak, Kínának és Indiának is vannak nukleáris tengeralattjárói. A tervezést minden esetben nem hozták nyilvánosságra, de úgy gondolják, hogy mindegyik nagyon hasonló - eza műszaki jellemzőikre vonatkozó azonos követelmények következménye. Oroszországnak van egy kis atommeghajtású jégtörő flottája is, amelyeknek ugyanolyan reaktorai vannak, mint a szovjet tengeralattjáróknak.
Ipari létesítmények
A fegyveres minőségű plutónium-239 előállításához atomreaktort használnak, amelynek elve a magas termelékenység alacsony energiatermelés mellett. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a plutónium hosszú tartózkodása a magban a nem kívánt 240Pu.
felhalmozódásához vezet.
Tríciumgyártás
Jelenleg az ilyen rendszerek által előállított fő anyag a trícium (3H vagy T), a hidrogénbombák töltete. A Plutónium-239 felezési ideje 24 100 év, így az ezt az elemet használó atomfegyver-arzenállal rendelkező országokban általában több van belőle, mint amennyire szükségük van. A 239Pu-val ellentétben a trícium felezési ideje körülbelül 12 év. Így a szükséges utánpótlás fenntartásához a hidrogénnek ezt a radioaktív izotópját folyamatosan elő kell állítani. Az Egyesült Államokban például a dél-karolinai Savannah Riverben számos nehézvizes reaktor található, amelyek tríciumot termelnek.
Lebegő erőegységek
Atomreaktorokat hoztak létre, amelyek villamos energiát és gőzfűtést tudnak biztosítani távoli, elszigetelt területeken. Például Oroszországban találtak alkalmazástkis erőművek, amelyeket kifejezetten az északi-sarkvidéki közösségek kiszolgálására terveztek. Kínában egy 10 MW-os HTR-10 erőmű látja el hővel és árammal a kutatóintézetet, ahol található. Svédországban és Kanadában is fejlesztenek hasonló képességű, szabályozott kis reaktorokat. 1960 és 1972 között az amerikai hadsereg kompakt vízreaktorokat használt a grönlandi és antarktiszi távoli bázisok táplálására. Helyüket olajtüzelésű erőművek váltották fel.
Űrkutatás
Ezen túlmenően reaktorokat fejlesztettek ki a világűrben történő áramellátásra és mozgásra. 1967 és 1988 között a Szovjetunió kis nukleáris létesítményeket telepített a Kozmosz műholdakra berendezések és telemetria táplálására, de ez a politika kritika célpontjává vált. Ezen műholdak közül legalább egy bejutott a Föld légkörébe, ami Kanada távoli területeinek radioaktív szennyeződését eredményezte. Az Egyesült Államok mindössze egyetlen nukleáris meghajtású műholdat lőtt fel 1965-ben. A mélyűrrepülésekben, más bolygók emberes felderítésében vagy állandó holdbázison történő felhasználásukra azonban továbbra is fejlesztenek projekteket. Ez szükségszerűen egy gázhűtéses vagy folyékony fém atomreaktor lesz, amelynek fizikai elvei a lehető legmagasabb hőmérsékletet biztosítják a radiátor méretének minimalizálásához. Ezenkívül az űrreaktornak a lehető legkompaktabbnak kell lennie, hogy minimalizálja a felhasznált anyag mennyiségétárnyékolás, valamint a súly csökkentése az indítás és az űrrepülés során. Az üzemanyag-tartalék biztosítja a reaktor működését az űrrepülés teljes időtartama alatt.
