Pajisja dhe parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor bazohen në inicializimin dhe kontrollin e një reaksioni bërthamor të vetëqëndrueshëm. Përdoret si një mjet kërkimi, për prodhimin e izotopeve radioaktive dhe si burim energjie për termocentralet bërthamore.
Reaktori bërthamor: si funksionon (shkurtimisht)
Këtu përdoret procesi i ndarjes bërthamore, në të cilin një bërthamë e rëndë ndahet në dy fragmente më të vogla. Këto fragmente janë në një gjendje shumë të ngacmuar dhe lëshojnë neutrone, grimca të tjera nënatomike dhe fotone. Neutronet mund të shkaktojnë ndarje të reja, si rezultat i të cilave emetohen më shumë neutrone, etj. Një seri e tillë e vazhdueshme e vetë-qëndrueshme e ndarjeve quhet një reaksion zinxhir. Në të njëjtën kohë, lirohet një sasi e madhe energjie, prodhimi i së cilës është qëllimi i përdorimit të termocentraleve bërthamore.
Parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor dhe një termocentrali bërthamor është i tillë që rreth 85% e energjisë së ndarjes lirohet brenda një periudhe shumë të shkurtër kohore pas fillimit të reaksionit. Pjesa tjetër prodhohet nërezultat i zbërthimit radioaktiv të produkteve të ndarjes pasi ato kanë emetuar neutrone. Zbërthimi radioaktiv është procesi me të cilin një atom arrin një gjendje më të qëndrueshme. Ai vazhdon edhe pas përfundimit të ndarjes.
Në një bombë atomike, reaksioni zinxhir rritet në intensitet derisa pjesa më e madhe e materialit ndahet. Kjo ndodh shumë shpejt, duke prodhuar shpërthime jashtëzakonisht të fuqishme karakteristike të bombave të tilla. Pajisja dhe parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor bazohen në mbajtjen e një reaksioni zinxhir në një nivel të kontrolluar, pothuajse konstant. Është projektuar në atë mënyrë që të mos shpërthejë si një bombë atomike.
Reagimi zinxhir dhe kritikiteti
Fizika e një reaktori të ndarjes bërthamore është se reaksioni zinxhir përcaktohet nga probabiliteti i ndarjes bërthamore pas emetimit të neutroneve. Nëse popullsia e kësaj të fundit zvogëlohet, atëherë shkalla e ndarjes përfundimisht do të bjerë në zero. Në këtë rast, reaktori do të jetë në një gjendje nënkritike. Nëse popullsia e neutroneve mbahet në një nivel konstant, atëherë shkalla e ndarjes do të mbetet e qëndrueshme. Reaktori do të jetë në gjendje kritike. Dhe së fundi, nëse popullsia e neutroneve rritet me kalimin e kohës, shkalla e ndarjes dhe fuqia do të rriten. Bërthama do të bëhet superkritike.
Parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor është si më poshtë. Para nisjes së tij, popullsia e neutroneve është afër zeros. Operatorët më pas heqin shufrat e kontrollit nga bërthama, duke rritur ndarjen bërthamore, e cila përkthehet përkohësishtreaktor në gjendje superkritike. Pas arritjes së fuqisë nominale, operatorët i kthejnë pjesërisht shufrat e kontrollit, duke rregulluar numrin e neutroneve. Në të ardhmen, reaktori do të mbahet në gjendje kritike. Kur duhet të ndalet, operatorët futin shufrat plotësisht. Kjo shtyp ndarjen dhe e sjell thelbin në një gjendje nënkritike.
Llojet e reaktorëve
Shumica e instalimeve bërthamore në botë prodhojnë energji, duke gjeneruar nxehtësinë e nevojshme për të kthyer turbinat që drejtojnë gjeneratorët e energjisë elektrike. Ka gjithashtu shumë reaktorë kërkimi dhe disa vende kanë nëndetëse me energji bërthamore ose anije sipërfaqësore.
Elektranat
Ka disa lloje reaktorësh të këtij lloji, por dizajni i ujit të lehtë ka gjetur aplikim të gjerë. Nga ana tjetër, mund të përdorë ujë nën presion ose ujë të valë. Në rastin e parë, lëngu nën presion të lartë nxehet nga nxehtësia e bërthamës dhe hyn në gjeneratorin e avullit. Atje, nxehtësia nga qarku primar transferohet në atë sekondar, i cili gjithashtu përmban ujë. Avulli i gjeneruar përfundimisht shërben si lëng pune në ciklin e turbinës me avull.
Reaktori i tipit të vlimit funksionon në parimin e një cikli të drejtpërdrejtë energjie. Uji, duke kaluar nëpër zonën aktive, sillet në një çiban në një nivel mesatar presioni. Avulli i ngopur kalon përmes një sërë ndarësësh dhe tharësesh të vendosura në enën e reaktorit, gjë që e çon atë nëgjendje e mbinxehur. Avulli i ujit i mbinxehur përdoret më pas si një lëng pune për të kthyer një turbinë.
Ftohje me gaz me temperaturë të lartë
Reaktori i ftohjes me gaz me temperaturë të lartë (HTGR) është një reaktor bërthamor, parimi i funksionimit të të cilit bazohet në përdorimin e një përzierjeje të mikrosferave të grafitit dhe karburantit si lëndë djegëse. Ka dy dizajne konkurruese:
- Sistemi "mbushës" gjerman që përdor qeliza karburanti sferike me diametër 60 mm, të cilat janë një përzierje e grafitit dhe karburantit në një guaskë grafiti;
- Versioni amerikan në formën e prizmave gjashtëkëndore grafiti që ndërlidhen për të formuar një zonë aktive.
Në të dyja rastet, ftohësi përbëhet nga helium me një presion prej rreth 100 atmosferash. Në sistemin gjerman, heliumi kalon nëpër boshllëqe në shtresën e elementeve sferike të karburantit, dhe në sistemin amerikan, përmes vrimave në prizmat grafit të vendosura përgjatë boshtit të zonës qendrore të reaktorit. Të dy opsionet mund të funksionojnë në temperatura shumë të larta, pasi grafiti ka një temperaturë sublimimi jashtëzakonisht të lartë, ndërsa heliumi është plotësisht kimikisht inert. Heliumi i nxehtë mund të aplikohet drejtpërdrejt si një lëng pune në një turbinë me gaz në temperaturë të lartë, ose nxehtësia e tij mund të përdoret për të gjeneruar avull të ciklit të ujit.
Reaktor bërthamor i metaleve të lëngët: skema dhe parimi i funksionimit
Reaktorët e shpejtë neutron me ftohës natriumi morën shumë vëmendje në vitet 1960 dhe 1970. Pastajdukej se aftësia e tyre për të riprodhuar karburantin bërthamor në të ardhmen e afërt ishte e nevojshme për prodhimin e karburantit për industrinë bërthamore në zhvillim të shpejtë. Kur u bë e qartë në vitet 1980 se kjo pritshmëri ishte joreale, entuziazmi u shua. Megjithatë, një sërë reaktorësh të këtij lloji janë ndërtuar në SHBA, Rusi, Francë, Britani të Madhe, Japoni dhe Gjermani. Shumica e tyre funksionojnë me dioksid uraniumi ose përzierjen e tij me dioksidin e plutoniumit. Megjithatë, në Shtetet e Bashkuara, suksesi më i madh ka qenë me karburantet metalike.
CANDU
Kanadaja i ka përqendruar përpjekjet e saj në reaktorët që përdorin uranium natyror. Kjo eliminon nevojën për pasurimin e saj për t'iu drejtuar shërbimeve të vendeve të tjera. Rezultati i kësaj politike ishte reaktori deuterium-uranium (CANDU). Kontrolli dhe ftohja në të kryhet me ujë të rëndë. Pajisja dhe parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor është përdorimi i një rezervuari me D2O të ftohtë në presionin atmosferik. Bërthama shpohet nga gypat e bërë nga aliazh zirkoniumi me lëndë djegëse natyrale të uraniumit, përmes të cilave uji i rëndë e ftoh atë. Energjia elektrike prodhohet duke transferuar nxehtësinë e ndarjes në ujë të rëndë në ftohës që qarkullon përmes gjeneratorit të avullit. Avulli në qarkun dytësor më pas kalon nëpër ciklin normal të turbinës.
Instalimet e kërkimit
Për kërkimin shkencor, më së shpeshti përdoret një reaktor bërthamor, parimi i të cilit është përdorimi i ftohjes së ujit dheelementet e lendeve djegese te uraniumit ne forme montimesh. I aftë të funksionojë në një gamë të gjerë nivelesh fuqie, nga disa kilovat në qindra megavat. Meqenëse prodhimi i energjisë nuk është detyra kryesore e reaktorëve kërkimorë, ata karakterizohen nga energjia termike e gjeneruar, dendësia dhe energjia nominale e neutroneve në bërthamë. Janë këto parametra që ndihmojnë në përcaktimin sasior të aftësisë së një reaktori kërkimor për të kryer sondazhe specifike. Sistemet me fuqi të ulët përdoren zakonisht në universitete për qëllime mësimore, ndërsa sistemet e fuqisë së lartë nevojiten në laboratorët e K&ZH për testimin e materialit dhe performancës dhe kërkimin e përgjithshëm.
Reaktori bërthamor më i zakonshëm kërkimor, struktura dhe parimi i funksionimit të të cilit janë si më poshtë. Zona e saj aktive ndodhet në fund të një pellgu të madh të thellë uji. Kjo thjeshton vëzhgimin dhe vendosjen e kanaleve përmes të cilave mund të drejtohen rrezet neutronike. Në nivele të ulëta të fuqisë, nuk ka nevojë të rrjedhni ftohësin, pasi konvekcioni natyral i ftohësit siguron shpërndarje të mjaftueshme të nxehtësisë për të ruajtur një gjendje të sigurt funksionimi. Shkëmbyesi i nxehtësisë zakonisht ndodhet në sipërfaqe ose në majë të pishinës ku grumbullohet uji i nxehtë.
Instalimet e anijeve
Përdorimi origjinal dhe kryesor i reaktorëve bërthamorë është në nëndetëse. Avantazhi i tyre kryesor ështëse, ndryshe nga sistemet e djegies së karburanteve fosile, ato nuk kërkojnë ajër për të gjeneruar energji elektrike. Prandaj, një nëndetëse bërthamore mund të qëndrojë e zhytur për periudha të gjata kohore, ndërsa një nëndetëse konvencionale me naftë elektrike duhet të ngrihet periodikisht në sipërfaqe për të ndezur motorët e saj në ajër. Fuqia bërthamore u jep një avantazh strategjik anijeve të Marinës. Ai eliminon nevojën për të furnizuar me karburant në portet e huaja ose nga cisternat e cenueshme.
Klasifikimi i parimit të funksionimit të një reaktori bërthamor në një nëndetëse. Mirëpo, dihet se në SHBA përdor uranium shumë të pasuruar, kurse ngadalësimi dhe ftohja bëhet nga uji i lehtë. Dizajni i reaktorit të parë të nëndetëses bërthamore USS Nautilus u ndikua fuqishëm nga objektet e fuqishme kërkimore. Karakteristikat e tij unike janë një diferencë shumë e madhe reaktiviteti, e cila siguron një periudhë të gjatë funksionimi pa karburant dhe aftësinë për të rifilluar pas një ndalese. Stacioni i energjisë elektrike në nëntokë duhet të jetë shumë i qetë për të shmangur zbulimin. Për të plotësuar nevojat specifike të klasave të ndryshme të nëndetëseve, u krijuan modele të ndryshme të termocentraleve.
Aeroplanmbajtëset e Marinës amerikane përdorin një reaktor bërthamor, parimi i të cilit besohet të jetë huazuar nga nëndetëset më të mëdha. Detajet e dizajnit të tyre gjithashtu nuk janë publikuar.
Përveç SHBA-së, nëndetëset bërthamore kanë edhe Britania e Madhe, Franca, Rusia, Kina dhe India. Në secilin rast, dizajni nuk u zbulua, por besohet se të gjithë janë shumë të ngjashëm - kjoështë pasojë e të njëjtave kërkesa për karakteristikat e tyre teknike. Rusia ka gjithashtu një flotë të vogël akullthyesësh me energji bërthamore që kanë të njëjtët reaktorë si nëndetëset sovjetike.
Instalimet industriale
Për prodhimin e plutonium-239 të shkallës së armëve, përdoret një reaktor bërthamor, parimi i të cilit është produktiviteti i lartë me një nivel të ulët të prodhimit të energjisë. Kjo për faktin se një qëndrim i gjatë i plutoniumit në bërthamë çon në akumulimin e 240Pu.
të padëshiruar
Prodhimi i tritiumit
Aktualisht, materiali kryesor i prodhuar nga sisteme të tilla është tritiumi (3H ose T), ngarkesa për bombat me hidrogjen. Plutonium-239 ka një gjysmë jetë të gjatë prej 24,100 vjetësh, kështu që vendet me arsenal të armëve bërthamore që përdorin këtë element priren të kenë më shumë seç kanë nevojë. Ndryshe nga 239Pu, tritiumi ka një gjysmë jetë prej afërsisht 12 vjet. Kështu, për të ruajtur furnizimet e nevojshme, ky izotop radioaktiv i hidrogjenit duhet të prodhohet vazhdimisht. Në SHBA, lumi Savannah, Karolina e Jugut, për shembull, ka disa reaktorë të ujit të rëndë që prodhojnë tritium.
Njësitë e fuqisë lundruese
Janë krijuar reaktorë bërthamorë që mund të ofrojnë energji elektrike dhe ngrohje me avull në zona të largëta të izoluara. Në Rusi, për shembull, kanë gjetur aplikimtermocentrale të vogla të projektuara posaçërisht për t'i shërbyer komuniteteve të Arktikut. Në Kinë, një impiant 10 MW HTR-10 furnizon me ngrohje dhe energji institutit kërkimor ku ndodhet. Reaktorë të vegjël të kontrolluar me aftësi të ngjashme po zhvillohen në Suedi dhe Kanada. Ndërmjet viteve 1960 dhe 1972, ushtria amerikane përdori reaktorë kompaktë të ujit për të fuqizuar bazat e largëta në Grenlandë dhe Antarktidë. Ato janë zëvendësuar nga termocentrale me naftë.
eksplorim i hapësirës
Përveç kësaj, janë zhvilluar reaktorë për furnizimin me energji elektrike dhe lëvizjen në hapësirën e jashtme. Ndërmjet viteve 1967 dhe 1988, Bashkimi Sovjetik instaloi instalime të vogla bërthamore në satelitët Kosmos për të fuqizuar pajisjet dhe telemetrinë, por kjo politikë u bë një objektiv për kritika. Të paktën një nga këta satelitë hyri në atmosferën e Tokës, duke rezultuar në ndotje radioaktive të zonave të largëta të Kanadasë. Shtetet e Bashkuara lëshuan vetëm një satelit me energji bërthamore në vitin 1965. Megjithatë, vazhdojnë të zhvillohen projekte për përdorimin e tyre në fluturimet e thella në hapësirë, eksplorimin me njerëz të planetëve të tjerë ose në një bazë të përhershme hënore. Do të jetë domosdoshmërisht një reaktor bërthamor i ftohur me gaz ose me metal të lëngshëm, parimet fizike të të cilit do të ofrojnë temperaturën më të lartë të mundshme të nevojshme për të minimizuar madhësinë e radiatorit. Përveç kësaj, një reaktor hapësinor duhet të jetë sa më kompakt që të jetë e mundur për të minimizuar sasinë e materialit të përdorur për tëmbrojtjes dhe për të reduktuar peshën gjatë nisjes dhe fluturimit në hapësirë. Rezerva e karburantit do të sigurojë funksionimin e reaktorit për të gjithë periudhën e fluturimit në hapësirë.
