ატომური რეაქტორის მოწყობილობა და მუშაობის პრინციპი ეფუძნება თვითშენარჩუნებული ბირთვული რეაქციის ინიციალიზაციას და კონტროლს. იგი გამოიყენება როგორც კვლევის ინსტრუმენტი, რადიოაქტიური იზოტოპების წარმოებისთვის და როგორც ენერგიის წყარო ატომური ელექტროსადგურებისთვის.
ბირთვული რეაქტორი: როგორ მუშაობს (მოკლედ)
აქ გამოიყენება ბირთვული დაშლის პროცესი, რომლის დროსაც მძიმე ბირთვი იშლება ორ პატარა ფრაგმენტად. ეს ფრაგმენტები ძლიერ აღგზნებულ მდგომარეობაშია და ასხივებენ ნეიტრონებს, სხვა სუბატომურ ნაწილაკებს და ფოტონებს. ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ ახალი გახლეჩები, რის შედეგადაც მეტი ნეიტრონები გამოიყოფა და ა.შ. გაყოფის ასეთ უწყვეტ თვითშენარჩუნებულ სერიას ჯაჭვური რეაქცია ეწოდება. ამავდროულად გამოიყოფა დიდი რაოდენობით ენერგია, რომლის წარმოებაც ატომური ელექტროსადგურების გამოყენების დანიშნულებაა.
ატომური რეაქტორისა და ატომური ელექტროსადგურის მუშაობის პრინციპი ისეთია, რომ დაშლის ენერგიის დაახლოებით 85% გამოიყოფა რეაქციის დაწყებიდან ძალიან მოკლე დროში. დანარჩენი იწარმოება ქდაშლის პროდუქტების რადიოაქტიური დაშლის შედეგი ნეიტრონების გამოყოფის შემდეგ. რადიოაქტიური დაშლა არის პროცესი, რომლის დროსაც ატომი აღწევს უფრო სტაბილურ მდგომარეობას. ის გრძელდება გაყოფის დასრულების შემდეგაც.
ატომურ ბომბში ჯაჭვური რეაქცია იზრდება ინტენსივობით, სანამ მასალის უმეტესი ნაწილი არ გაიყოფა. ეს ხდება ძალიან სწრაფად, წარმოქმნის უკიდურესად ძლიერ აფეთქებებს, რომლებიც დამახასიათებელია ასეთი ბომბებისთვის. ბირთვული რეაქტორის მოწყობილობა და მუშაობის პრინციპი ეფუძნება ჯაჭვური რეაქციის შენარჩუნებას კონტროლირებად, თითქმის მუდმივ დონეზე. ის ისეა შექმნილი, რომ ატომური ბომბივით ვერ აფეთქდეს.
ჯაჭვური რეაქცია და კრიტიკულობა
ბირთვული დაშლის რეაქტორის ფიზიკა არის ის, რომ ჯაჭვური რეაქცია განისაზღვრება ნეიტრონების გამოსხივების შემდეგ ბირთვული დაშლის ალბათობით. თუ ამ უკანასკნელის მოსახლეობა შემცირდება, მაშინ დაშლის სიჩქარე საბოლოოდ ნულამდე დაეცემა. ამ შემთხვევაში რეაქტორი იქნება სუბკრიტიკულ მდგომარეობაში. თუ ნეიტრონების პოპულაცია შენარჩუნებულია მუდმივ დონეზე, მაშინ დაშლის სიჩქარე სტაბილური დარჩება. რეაქტორი კრიტიკულ მდგომარეობაში იქნება. და ბოლოს, თუ ნეიტრონების პოპულაცია დროთა განმავლობაში იზრდება, გაყოფის სიჩქარე და სიმძლავრე გაიზრდება. ბირთვი გახდება სუპერკრიტიკული.
ატომური რეაქტორის მუშაობის პრინციპი ასეთია. მის გაშვებამდე ნეიტრონის პოპულაცია ახლოს არის ნულთან. შემდეგ ოპერატორები ამოიღებენ საკონტროლო ღეროებს ბირთვიდან, ზრდის ბირთვულ დაშლას, რაც დროებით ითარგმნებარეაქტორი სუპერკრიტიკულ მდგომარეობაში. ნომინალური სიმძლავრის მიღწევის შემდეგ, ოპერატორები ნაწილობრივ აბრუნებენ საკონტროლო ღეროებს, არეგულირებენ ნეიტრონების რაოდენობას. მომავალში რეაქტორი კრიტიკულ მდგომარეობაშია. როდესაც საჭიროა მისი გაჩერება, ოპერატორები მთლიანად ათავსებენ წნელებს. ეს თრგუნავს გაყოფას და ბირთვს აქცევს სუბკრიტიკულ მდგომარეობამდე.
რეაქტორების ტიპები
მსოფლიოში ატომური დანადგარების უმეტესი ნაწილი ენერგიას გამოიმუშავებს, რომელიც წარმოქმნის სითბოს, რომელიც საჭიროა ელექტროენერგიის გენერატორების ძრავისთვის საჭირო ტურბინებისთვის. ასევე არსებობს მრავალი კვლევითი რეაქტორი და ზოგიერთ ქვეყანას აქვს ატომური წყალქვეშა ნავები ან ზედაპირული ხომალდები.
ელექტროსადგურები
ამ ტიპის რეაქტორების რამდენიმე ტიპი არსებობს, მაგრამ მსუბუქი წყლის დიზაინმა ფართო გამოყენება ჰპოვა. თავის მხრივ, მას შეუძლია გამოიყენოს წნევით ან მდუღარე წყალი. პირველ შემთხვევაში, მაღალი წნევის ქვეშ მყოფი სითხე თბება ბირთვის სითბოთი და შედის ორთქლის გენერატორში. იქ პირველადი წრედიდან სითბო გადადის მეორადში, რომელიც ასევე შეიცავს წყალს. საბოლოოდ წარმოქმნილი ორთქლი ემსახურება როგორც სამუშაო სითხეს ორთქლის ტურბინის ციკლში.
მდუღარე ტიპის რეაქტორი მუშაობს პირდაპირი ენერგეტიკული ციკლის პრინციპით. წყალი, რომელიც გადის აქტიურ ზონაში, მიიყვანება ადუღებამდე საშუალო წნევის დონეზე. გაჯერებული ორთქლი გადის რეაქტორის ჭურჭელში განლაგებულ სეპარატორებისა და საშრობების სერიას, რაც მას მოაქვსგადახურებული მდგომარეობა. ზედმეტად გახურებული წყლის ორთქლი გამოიყენება როგორც სამუშაო სითხე ტურბინის მოსახვევად.
მაღალტემპერატურული გაზით გაგრილება
მაღალი ტემპერატურის გაზის გაგრილების რეაქტორი (HTGR) არის ბირთვული რეაქტორი, რომლის მუშაობის პრინციპი ემყარება გრაფიტისა და საწვავის მიკროსფეროების ნარევის გამოყენებას საწვავად. არსებობს ორი კონკურენტი დიზაინი:
- გერმანული "შემავსებელი" სისტემა, რომელიც იყენებს 60 მმ დიამეტრის სფერულ საწვავის უჯრედებს, რომლებიც წარმოადგენს გრაფიტისა და საწვავის ნარევს გრაფიტის გარსში;
- ამერიკული ვერსია გრაფიტის ექვსკუთხა პრიზმების სახით, რომლებიც იკეტება აქტიური ზონის შესაქმნელად.
ორივე შემთხვევაში, გამაგრილებელი შედგება ჰელიუმისგან დაახლოებით 100 ატმოსფეროს წნევის ქვეშ. გერმანულ სისტემაში ჰელიუმი გადის უფსკრული საწვავის სფერული ელემენტების ფენაში, ხოლო ამერიკულ სისტემაში - გრაფიტის პრიზმების ხვრელების მეშვეობით, რომლებიც მდებარეობს რეაქტორის ცენტრალური ზონის ღერძის გასწვრივ. ორივე ვარიანტს შეუძლია მუშაობა ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, რადგან გრაფიტს აქვს უკიდურესად მაღალი სუბლიმაციის ტემპერატურა, ხოლო ჰელიუმი სრულიად ქიმიურად ინერტულია. ცხელი ჰელიუმი შეიძლება გამოყენებულ იქნას პირდაპირ, როგორც სამუშაო სითხე გაზის ტურბინაში მაღალ ტემპერატურაზე, ან მისი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის ციკლის ორთქლის შესაქმნელად.
თხევადი ლითონის ბირთვული რეაქტორი: მოქმედების სქემა და პრინციპი
სწრაფმა ნეიტრონულმა რეაქტორებმა ნატრიუმის გამაგრილებლით დიდი ყურადღება მიიპყრო 1960-იან და 1970-იან წლებში. მერეჩანდა, რომ მათი უნარი ახლო მომავალში ბირთვული საწვავის რეპროდუცირებისთვის აუცილებელი იყო სწრაფად განვითარებადი ბირთვული ინდუსტრიისთვის საწვავის წარმოებისთვის. როდესაც 1980-იან წლებში გაირკვა, რომ ეს მოლოდინი არარეალური იყო, ენთუზიაზმი გაქრა. თუმცა, ამ ტიპის არაერთი რეაქტორი აშენდა აშშ-ში, რუსეთში, საფრანგეთში, დიდ ბრიტანეთში, იაპონიასა და გერმანიაში. მათი უმეტესობა მუშაობს ურანის დიოქსიდზე ან მის ნარევზე პლუტონიუმის დიოქსიდთან. თუმცა, შეერთებულ შტატებში ყველაზე დიდი წარმატება მიაღწია მეტალის საწვავს.
CANDU
კანადამ თავისი ძალისხმევა მიმართა რეაქტორებზე, რომლებიც იყენებენ ბუნებრივ ურანს. ეს გამორიცხავს მისი გამდიდრების აუცილებლობას, რათა მიმართოს სხვა ქვეყნების სერვისებს. ამ პოლიტიკის შედეგი იყო დეიტერიუმ-ურანის რეაქტორი (CANDU). მასში კონტროლი და გაგრილება ხორციელდება მძიმე წყლით. ბირთვული რეაქტორის მოწყობილობა და მოქმედების პრინციპი არის ტანკის გამოყენება ცივი D2O ატმოსფერული წნევის დროს. ბირთვი იჭრება ცირკონიუმის შენადნობისგან დამზადებული მილებით ბუნებრივი ურანის საწვავით, რომლის მეშვეობითაც მძიმე წყალი აციებს მას. ელექტროენერგია იწარმოება მძიმე წყალში დაშლის სითბოს გადაცემით გამაგრილებელში, რომელიც ცირკულირებს ორთქლის გენერატორის მეშვეობით. ორთქლი მეორად წრეში შემდეგ გადის ნორმალურ ტურბინულ ციკლში.
კვლევითი ინსტალაციები
მეცნიერული კვლევისთვის ყველაზე ხშირად გამოიყენება ბირთვული რეაქტორი, რომლის პრინციპია წყლის გაგრილებისა დალამელარული ურანის საწვავის ელემენტები შეკრების სახით. შეუძლია იმუშაოს სიმძლავრის დონის ფართო დიაპაზონში, რამდენიმე კილოვატიდან ასობით მეგავატამდე. ვინაიდან ელექტროენერგიის გამომუშავება არ არის კვლევითი რეაქტორების მთავარი ამოცანა, მათ ახასიათებთ წარმოქმნილი თერმული ენერგია, სიმკვრივე და ნეიტრონების ნომინალური ენერგია ბირთვში. სწორედ ეს პარამეტრები ეხმარება კვლევითი რეაქტორის უნარის რაოდენობრივად განსაზღვრას კონკრეტული კვლევების ჩატარების მიზნით. დაბალი სიმძლავრის სისტემები, როგორც წესი, გამოიყენება უნივერსიტეტებში სასწავლო მიზნებისთვის, ხოლო მაღალი ენერგიის სისტემები საჭიროა R&D ლაბორატორიებში მატერიალური და შესრულების ტესტირებისა და ზოგადი კვლევებისთვის.
ყველაზე გავრცელებული კვლევითი ბირთვული რეაქტორი, რომლის სტრუქტურა და მუშაობის პრინციპი შემდეგია. მისი აქტიური ზონა მდებარეობს დიდი ღრმა წყლის აუზის ძირში. ეს ამარტივებს არხების დაკვირვებას და განთავსებას, რომლებზეც შესაძლებელია ნეიტრონული სხივების მიმართვა. დაბალი სიმძლავრის დონეზე, არ არის საჭირო გამაგრილებლის სისხლდენა, რადგან გამაგრილებლის ბუნებრივი კონვექცია უზრუნველყოფს საკმარის სითბოს გაფრქვევას უსაფრთხო სამუშაო მდგომარეობის შესანარჩუნებლად. სითბოს გადამცვლელი ჩვეულებრივ მდებარეობს აუზის ზედაპირზე ან ზედა ნაწილში, სადაც ცხელი წყალი გროვდება.
გემის დაყენება
ატომური რეაქტორების ორიგინალური და ძირითადი გამოყენება წყალქვეშა ნავებშია. მათი მთავარი უპირატესობა არისრომ, წიაღისეული საწვავის წვის სისტემებისგან განსხვავებით, მათ არ სჭირდებათ ჰაერი ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. მაშასადამე, ბირთვული წყალქვეშა ნავი შეიძლება დარჩეს წყალქვეშ დიდი ხნის განმავლობაში, ხოლო ჩვეულებრივი დიზელ-ელექტრული წყალქვეშა ნავი პერიოდულად უნდა ადგეს ზედაპირზე, რათა ჰაერში ძრავები ამოქმედდეს. ბირთვული ენერგია სტრატეგიულ უპირატესობას ანიჭებს საზღვაო ძალების გემებს. ის გამორიცხავს უცხოურ პორტებში ან დაუცველ ტანკერებზე საწვავის შევსების აუცილებლობას.
წყალქვეშა ნავზე ბირთვული რეაქტორის მუშაობის პრინციპი კლასიფიცირებულია. თუმცა ცნობილია, რომ აშშ-ში იყენებს უაღრესად გამდიდრებულ ურანს, ხოლო შენელება და გაგრილება ხდება მსუბუქი წყლით. ბირთვული წყალქვეშა ნავის USS Nautilus-ის პირველი რეაქტორის დიზაინზე დიდი გავლენა იქონია მძლავრმა კვლევითმა ობიექტებმა. მისი უნიკალური მახასიათებლებია ძალიან დიდი რეაქტიულობის ზღვარი, რომელიც უზრუნველყოფს მუშაობის ხანგრძლივ პერიოდს საწვავის შევსების გარეშე და გაჩერების შემდეგ გადატვირთვის შესაძლებლობას. ელექტროსადგური ქვედანაყოფებში უნდა იყოს ძალიან მშვიდი, რათა თავიდან იქნას აცილებული გამოვლენა. სხვადასხვა კლასის წყალქვეშა ნავების სპეციფიკური საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად შეიქმნა ელექტროსადგურების სხვადასხვა მოდელი.
აშშ-ს საზღვაო ძალების ავიამზიდები იყენებენ ატომურ რეაქტორს, რომლის პრინციპი, როგორც ვარაუდობენ, ნასესხებია უდიდესი წყალქვეშა ნავებიდან. მათი დიზაინის დეტალები ასევე არ გამოქვეყნებულა.
აშშ-ის გარდა, ატომური წყალქვეშა ნავები აქვთ დიდ ბრიტანეთს, საფრანგეთს, რუსეთს, ჩინეთსა და ინდოეთს. თითოეულ შემთხვევაში, დიზაინი არ იყო გამჟღავნებული, მაგრამ ითვლება, რომ ისინი ყველა ძალიან ჰგავს - ესმათი ტექნიკური მახასიათებლების იგივე მოთხოვნების შედეგია. რუსეთს ასევე აქვს ატომური ყინულმჭრელების მცირე ფლოტი, რომლებსაც აქვთ იგივე რეაქტორები, როგორც საბჭოთა წყალქვეშა ნავები.
სამრეწველო დანადგარები
იარაღების კლასის პლუტონიუმ-239-ის წარმოებისთვის გამოიყენება ბირთვული რეაქტორი, რომლის პრინციპია მაღალი პროდუქტიულობა ენერგიის წარმოების დაბალი დონით. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ბირთვში პლუტონიუმის ხანგრძლივი ყოფნა იწვევს არასასურველი 240Pu.
დაგროვებას.
ტრიტიუმის წარმოება
ამჟამად, ასეთი სისტემების მიერ წარმოებული ძირითადი მასალაა ტრიტიუმი (3H ან T), წყალბადის ბომბების მუხტი. პლუტონიუმ-239-ს აქვს ხანგრძლივი ნახევარგამოყოფის პერიოდი 24100 წელი, ამიტომ ქვეყნებს, რომლებსაც აქვთ ბირთვული იარაღის არსენალი ამ ელემენტის გამოყენებით, უფრო მეტი აქვთ ვიდრე სჭირდებათ. განსხვავებით 239Pu, ტრიტიუმს აქვს ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 12 წელი. ამრიგად, საჭირო მარაგების შესანარჩუნებლად, წყალბადის ეს რადიოაქტიური იზოტოპი მუდმივად უნდა იყოს წარმოებული. მაგალითად, აშშ-ში, სამხრეთ კაროლინაში, მდინარე სავანას აქვს მძიმე წყლის რამდენიმე რეაქტორი, რომლებიც აწარმოებენ ტრიტიუმს.
მცურავი ელექტროსადგურები
შეიქმნა
ბირთვული რეაქტორები, რომლებსაც შეუძლიათ ელექტროენერგიით და ორთქლით გათბობა შორეულ იზოლირებულ ტერიტორიებზე. რუსეთში, მაგალითად, იპოვეს განაცხადიმცირე ელექტროსადგურები, რომლებიც სპეციალურად შექმნილია არქტიკული თემებისთვის. ჩინეთში, 10 მგვტ სიმძლავრის HTR-10 სადგური აწვდის სითბოს და ენერგიას კვლევით ინსტიტუტს, სადაც ის მდებარეობს. მსგავსი შესაძლებლობების მქონე მცირე კონტროლირებადი რეაქტორები მუშავდება შვედეთსა და კანადაში. 1960-დან 1972 წლამდე აშშ-ს არმიამ გამოიყენა კომპაქტური წყლის რეაქტორები გრენლანდიასა და ანტარქტიდაში დისტანციური ბაზებისთვის. ისინი შეიცვალა ნავთობზე მომუშავე ელექტროსადგურებით.
კოსმოსის კვლევა
გარდა ამისა, შემუშავებულია რეაქტორები ელექტრომომარაგებისთვის და გარე სივრცეში გადაადგილებისთვის. 1967-დან 1988 წლამდე საბჭოთა კავშირმა დაამონტაჟა მცირე ბირთვული დანადგარები კოსმოსის თანამგზავრებზე, რათა მიეწოდებინა აღჭურვილობა და ტელემეტრია, მაგრამ ეს პოლიტიკა კრიტიკის სამიზნე გახდა. ამ თანამგზავრებიდან ერთ-ერთი მაინც შევიდა დედამიწის ატმოსფეროში, რის შედეგადაც კანადის შორეული ტერიტორიების რადიოაქტიური დაბინძურება მოხდა. შეერთებულმა შტატებმა 1965 წელს მხოლოდ ერთი ბირთვული თანამგზავრი გაუშვა. თუმცა, პროექტები მათი გამოყენებისთვის ღრმა კოსმოსურ ფრენებში, სხვა პლანეტების პილოტირებულ კვლევაში ან მუდმივ მთვარის ბაზაზე განაგრძობს შემუშავებას. ეს აუცილებლად იქნება გაზით გაცივებული ან თხევადი ლითონის ბირთვული რეაქტორი, რომლის ფიზიკური პრინციპები უზრუნველყოფენ მაქსიმალურ ტემპერატურას, რაც აუცილებელია რადიატორის ზომის შესამცირებლად. გარდა ამისა, კოსმოსური რეაქტორი უნდა იყოს რაც შეიძლება კომპაქტური, რათა მინიმუმამდე დაიყვანოს გამოყენებული მასალის რაოდენობადამცავი და წონის შემცირება გაშვებისა და კოსმოსური ფრენის დროს. საწვავის რეზერვი უზრუნველყოფს რეაქტორის მუშაობას კოსმოსური ფრენის მთელი პერიოდის განმავლობაში.
