Bir nükleer reaktörün ana parçaları nelerdir? Nükleer santral: nasıl çalışır?

Bu alelade gri silindir, Rus nükleer endüstrisindeki kilit halkadır. Elbette pek prezentabl görünmüyor ama amacını anladığınızda ve teknik özelliklerine baktığınız anda, devletin neden onun yaratılış ve yapısını gözbebeği gibi koruduğunu anlamaya başlıyorsunuz.

Evet, tanıtmayı unuttum: önünüzde uranyum izotopları VT-3F'yi (n. nesil) ayırmak için bir gaz santrifüjü var. Çalışma prensibi basittir, bir süt ayırıcınınki gibi, ağır, merkezkaç kuvvetinin etkisi altında ışıktan ayrılır. Öyleyse önemi ve benzersizliği nedir?

Başlamak için başka bir soruyu cevaplayalım - ama genel olarak neden ayrı uranyum?

Yerin hemen altında bulunan doğal uranyum, iki izotoptan oluşan bir kokteyldir: uranyum-238 Ve uranyum-235(ve %0,0054 U-234).
Uranyum-238, sadece ağır, gri metal. Ondan bir top mermisi yapabilirsin ya da ... bir anahtarlık. Ve işte yapabilecekleriniz uranyum-235? Birincisi, bir atom bombası ve ikincisi, nükleer santraller için yakıt. Ve burada kilit soruya geliyoruz - bu iki, neredeyse aynı atomu birbirinden nasıl ayıracağız? Hayır, gerçekten NASIL?!

Bu arada: Uranyum atomunun çekirdeğinin yarıçapı 1,5 10-8 cm'dir.

Uranyum atomlarının teknolojik zincire girebilmesi için, onun (uranyum) gaz haline dönüştürülmesi gerekir. Kaynatmanın bir anlamı yok, uranyum ile floru birleştirip uranyum hekzaflorür elde etmek yeterli HFC. Üretim teknolojisi çok karmaşık ve maliyetli değildir ve bu nedenle HFC bu uranyumun çıkarıldığı yere gidin. UF6, son derece uçucu olan tek uranyum bileşiğidir (53°C'ye ısıtıldığında, hekzaflorid (resimde) doğrudan katıdan gaza geçer). Daha sonra özel kaplara pompalanır ve zenginleştirmeye gönderilir.

biraz tarih

Nükleer yarışın en başında, hem SSCB hem de ABD gibi en büyük bilimsel beyinler, uranyumu bir elekten geçirerek difüzyonla ayırma fikrinde ustalaştı. Küçük 235. izotop kayacak ve "kalın" 238. sıkışmak. Ve 1946'da Sovyet endüstrisi için nano delikli bir elek yapmak en zor iş değildi.

Halk Komiserleri Konseyi'ne bağlı Bilimsel ve Teknik Konsey'deki Isaac Konstantinovich Kikoin'in raporundan (SSCB atom projesiyle ilgili sınıflandırılmamış materyallerin koleksiyonunda verilmiştir (Ed. Ryabev)): Şu anda, yaklaşık 5/1.000 mm delikli ağların nasıl yapıldığını öğrendik, yani. Atmosfer basıncında moleküllerin ortalama serbest yolunun 50 katı. Bu nedenle, bu tür ızgaralarda izotop ayrımının meydana geleceği gaz basıncı, atmosfer basıncının 1/50'sinden az olmalıdır. Uygulamada, yaklaşık 0,01 atmosferlik bir basınçta çalışmayı bekliyoruz, yani; iyi vakum koşulları altında. Hesaplama, hafif bir izotopta %90'lık bir konsantrasyona kadar zenginleştirilmiş bir ürün elde etmek için (böyle bir konsantrasyon bir patlayıcı elde etmek için yeterlidir), bu tür yaklaşık 2.000 aşamanın bir kademeli olarak bağlanması gerektiğini göstermektedir. Tasarımı ve kısmen imalatı tarafımızca yapılan makinede günde 75-100 gr uranyum-235 üretilmesi beklenmektedir. Kurulum, her biri 20-25 adım içerecek yaklaşık 80-100 "sütundan" oluşacaktır."

Aşağıda bir belge var - Beria'nın ilk nükleer patlamanın hazırlanmasına ilişkin Stalin'e verdiği rapor. Aşağıda, 1949 yazının başında biriken nükleer maddelere küçük bir referans verilmiştir.

Ve şimdi kendiniz hayal edin - yaklaşık 100 gram uğruna 2000 ağır kurulum! Nereye gidelim, bombalara ihtiyaç var. Ve sadece fabrikalar değil, tüm şehirler için fabrikalar inşa etmeye başladılar. Ve tamam, sadece şehirler, bu difüzyon tesisleri o kadar çok elektriğe ihtiyaç duyuyordu ki, yakınlarda ayrı elektrik santralleri inşa etmek zorunda kaldılar.

SSCB'de, 813 numaralı fabrikanın ilk aşaması D-1, aynı güçte 3100 ayırma aşamasının 2 kademesinde günde toplam 140 gram %92-93 uranyum-235 üretimi için tasarlandı. Sverdlovsk'a 60 km uzaklıktaki Verkh-Neyvinsk köyünde bitmemiş bir uçak fabrikası üretim için tahsis edildi. Daha sonra Sverdlovsk-44'e ve 813. tesis (resimde), dünyanın en büyük ayrıştırma üretimi olan Ural Elektrokimya Fabrikasına dönüştü.

Ve difüzyon ayırma teknolojisi, büyük teknolojik zorluklara rağmen hata ayıklanmış olsa da, daha ekonomik bir santrifüj işleminde ustalaşma fikri gündemden çıkmadı. Sonuçta, bir santrifüj oluşturmayı başarırsanız, enerji tüketimi 20'den 50 kata düşecektir!

Santrifüj nasıl kurulur?

Temelden daha fazla düzenlenmiş ve eskisine benziyor. çamaşır makinesi"sıkma / kurutma" modunda çalışıyor. Sızdırmaz bir mahfaza içinde dönen bir rotor bulunur. Bu rotor gazla beslenir (UF6). Dünya'nın çekim alanından yüz binlerce kat daha büyük olan merkezkaç kuvveti nedeniyle gaz, "ağır" ve "hafif" fraksiyonlara ayrılmaya başlar. Hafif ve ağır moleküller, rotorun farklı bölgelerinde gruplaşmaya başlar, ancak merkezde ve çevre boyunca değil, üstte ve altta gruplanır.

Bu, konveksiyon akımlarından kaynaklanır - rotor kapağı ısıtılır ve bir geri gaz akışı oluşur. Silindirin üstünde ve altında iki küçük tüp vardır - giriş. Tükenmiş bir karışım alt tüpe girer, daha yüksek atom konsantrasyonuna sahip bir karışım üst tüpe girer. 235U. Bu karışım bir sonraki santrifüje girer ve konsantrasyon yoğunlaşana kadar bu şekilde devam eder. 235. uranyum istenilen değere ulaşmayacaktır. Bir santrifüj zincirine kaskat denir.

Teknik özellikler.

İlk olarak, dönüş hızı - y modern nesil santrifüjler, 2000 rpm'ye ulaşır (neyle karşılaştıracağımı bile bilmiyorum ... bir uçak motorundaki türbinden 10 kat daha hızlı)! Ve ÜÇ YILDIR hiç durmadan çalışıyor! Onlar. şimdi Brejnev altında açılan santrifüjler kademeli olarak dönüyor! SSCB artık yok ama dönmeye ve dönmeye devam ediyorlar. Rotorun çalışma döngüsü sırasında 2.000.000.000.000 (iki trilyon) devir yaptığını hesaplamak zor değildir. Ve ne tür bir rulman bununla başa çıkabilir? Evet, hiçbiri! Rulman yok.

Rotorun kendisi sıradan bir üst kısımdır, alt kısmında korindon baskı yatağına dayanan güçlü bir iğnesi vardır ve üst ucu bir elektromanyetik alan tarafından tutulan bir vakumda asılıdır. İğne de basit değil, piyano telleri için sıradan telden yapılmış, çok ustaca sertleştirilmiş (ne - GT). Böyle çılgın bir dönüş hızında santrifüjün kendisinin sadece dayanıklı değil, aynı zamanda süper güçlü olması gerektiğini hayal etmek zor değil.

Akademisyen Joseph Friedlander şöyle hatırlıyor: “Üç kez vurulmuş olabilirler. Bir keresinde, Lenin Ödülü'nü aldığımızda büyük bir kaza oldu, santrifüjün kapağı uçtu. Parçalar dağıldı, diğer santrifüjleri yok etti. Radyoaktif bir bulut yükseldi. Tüm hattı durdurmak zorunda kaldım - bir kilometrelik kurulum! Sredmash'ta santrifüjler, Beria bölümünde çalıştığı atom projesinden önce General Zverev tarafından yönetiliyordu. Toplantıdaki general, “Durum kritik. Ülke savunması tehdit altındadır. Durumu hızla düzeltmezsek, 37. yıl sizin için tekrar edecek. Ve toplantı hemen kapatıldı. sonra tamamen bulduk yeni teknoloji tamamen izotropik üniform bir kapak yapısına sahipti, ancak çok karmaşık kurulumlar gerekiyordu. O zamandan beri bu kapaklar üretildi. Daha fazla sorun yoktu. Rusya'da yüz binlerce santrifüj olmak üzere 3 zenginleştirme tesisi var.
Fotoğrafta: birinci nesil santrifüjlerin testleri

Rotor kasaları da ilk başta karbon fiber ile değiştirilene kadar metaldi. Hafif ve yırtılmaya son derece dayanıklı, dönen bir silindir için ideal bir malzemedir.

UEIP Genel Müdürü (2009-2012) Alexander Kurkin şunları hatırlıyor: "Saçma geldi. Yeni, daha "döner" bir santrifüj neslini test ederken ve test ederken, çalışanlardan biri rotorun tamamen durmasını beklemedi, kademeden bağlantısını kesti ve kollarındaki sehpaya aktarmaya karar verdi. Ama ne kadar direnirse dirensin ilerlemek yerine bu silindiri kucakladı ve geriye doğru gitmeye başladı. Böylece dünyanın döndüğünü ve jiroskopun büyük bir kuvvet olduğunu kendi gözlerimizle gördük.”

Kim icat etti?

Oh, gizemle dolu ve karanlıkta örtülü bir gizem. Burada yakalanan Alman fizikçiler, CIA, SMERSH memurları ve hatta düşürülen casus pilot Powers var. Genel olarak, bir gaz santrifüjünün prensibi 19. yüzyılın sonunda açıklanmıştır.

Atom Projesi'nin şafağında bile, Kirov Fabrikası Özel Tasarım Bürosu mühendisi Viktor Sergeev bir santrifüj ayırma yöntemi önerdi, ancak meslektaşları ilk başta onun fikrini onaylamadı. Aynı zamanda, mağlup Almanya'dan bilim adamları, Sohum'da özel bir NII-5'te bir ayırma santrifüjünün oluşturulması için savaştılar: Siemens'in baş mühendisi olarak Hitler'in altında çalışan Dr. Max Steenbeck ve eski bir Luftwaffe tamircisi olan Gernot Zippe , Viyana Üniversitesi mezunu. Toplamda, grup yaklaşık 300 "ihraç edilmiş" fizikçiyi içeriyordu.

Devlet Şirketi Rosatom'un CJSC Centrotech-SPb Genel Müdürü Aleksey Kaliteevsky şöyle hatırlıyor: "Uzmanlarımız, Alman santrifüjünün endüstriyel üretim için kesinlikle uygun olmadığı sonucuna vardı. Steenbeck aparatı, kısmen zenginleştirilmiş ürünü bir sonraki aşamaya aktarmak için bir sisteme sahip değildi. Kapağın uçlarının soğutulması ve gazın dondurulması ve ardından çözülmesi, toplanması ve bir sonraki santrifüje koyulması önerildi. Yani, şema çalışmıyor. Ancak, projenin bazı çok ilginç ve sıra dışı teknik çözümleri vardı. Bu "ilginç ve sıra dışı çözümler", Sovyet bilim adamlarının elde ettiği sonuçlarla, özellikle Viktor Sergeev'in önerileriyle birleştirildi. Nispeten konuşursak, kompakt santrifüjümüz Alman düşüncesinin üçte biri ve Sovyet düşüncesinin üçte ikisidir." Bu arada, Sergeev Abhazya'ya geldiğinde ve aynı Steenbeck ve Zippe'ye uranyum seçimi konusundaki düşüncelerini ifade ettiğinde, Steenbeck ve Zippe bunları gerçekleştirilemez olarak değerlendirdiler.

Peki Sergeyev ne buldu?

Ve Sergeyev'in önerisi, Pitot tüpleri şeklinde gaz örnekleme cihazları yaratmaktı. Ancak inandığı gibi bu konuda dişlerini yiyen Dr. Steenbeck kategorikti: "Akışları yavaşlatacaklar, türbülansa neden olacaklar ve ayrılık olmayacak!" Yıllar sonra anılarını yazarken pişman olacaktır: “Bizden gelmeye değer bir fikir! Ama aklımın ucundan bile geçmedi..."

Daha sonra, SSCB dışındayken, Steenbeck artık santrifüjlerle uğraşmıyordu. Ancak Geront Zippe, Almanya'ya gitmeden önce, Sergeyev'in santrifüjünün prototipini ve onun dahice basit çalışma prensibini tanıma fırsatı buldu. Batı'da bir zamanlar, sık sık anıldığı şekliyle "kurnaz Zippe", santrifüj tasarımının patentini kendi adı altında aldı (patent No. 1071597, 1957, 13 ülkede beklemede). 1957'de ABD'ye taşınan Zippe, orada çalışan bir kurulum inşa etti ve Sergeev'in prototipini bellekten yeniden üretti. Ve buna saygılarımızı sunalım, "Rus santrifüjü" (resimde) adını verdi.

Bu arada, Rus mühendisliği başka birçok durumda da kendini gösterdi. Bir örnek, temel acil durum kapatma vanasıdır. Sensörler, dedektörler ve elektronik devreler yoktur. Sadece taç yaprağı ile çağlayanın çerçevesine temas eden bir semaver musluğu vardır. Bir şeyler ters giderse ve santrifüj uzaydaki konumunu değiştirirse, basitçe döner ve giriş hattını kapatır. Uzayda bir Amerikan kalemi ve bir Rus kalemi hakkında bir şaka gibi.

Günlerimiz

Bu hafta bu satırların yazarı önemli bir olayda yer aldı - ABD Enerji Bakanlığı'nın Rusya gözlemciler ofisinin sözleşme kapsamında kapatılması HEU-LEU. Bu anlaşma (yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum-düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum), Rusya ile Amerika arasındaki en büyük nükleer enerji anlaşmasıydı ve hala öyle. Sözleşme şartlarına göre, Rus nükleer bilim adamları, Amerikan nükleer santralleri için silah kalitesinde (%90) uranyumumuzun 500 tonunu yakıta (%4) HFC olarak işlediler. 1993-2009 gelirleri 8,8 milyar ABD doları olarak gerçekleşti. Bu, nükleer bilim adamlarımızın savaş sonrası yıllarda izotop ayırma alanındaki teknolojik atılımının mantıksal sonucuydu.
Fotoğrafta: UEIP atölyelerinden birindeki kademeli gaz santrifüjleri. Burada yaklaşık 100.000 tane var.

Santrifüjler sayesinde binlerce ton görece ucuz, hem askeri hem de ticari ürün elde ettik. Rusya'nın sorgusuz sualsiz üstünlüğe sahip olduğu geriye kalan az sayıdaki (askeri havacılık, uzay) endüstriden biri olan nükleer endüstri. Sadece önümüzdeki on yıl için dış siparişler (2013'ten 2022'ye kadar), Rosatom'un sözleşme hariç portföyü HEU-LEU 69,3 milyar dolar. 2011'de 50 milyarı aştı...
Fotoğrafta, UEIP'de HFC'ler içeren bir konteyner deposu.

28 Eylül 1942'de Devlet Savunma Komitesi'nin 2352ss sayılı "Uranyumla ilgili çalışmaların düzenlenmesine ilişkin" Kararı kabul edildi. Bu tarih, Rusya'daki nükleer endüstri tarihinin resmi başlangıcı olarak kabul edilir.

Bugün nükleer fizik dünyasına kısa bir yolculuk yapacağız. Gezimizin konusu bir nükleer reaktör olacak. Nasıl çalıştığını, çalışmasının altında hangi fiziksel ilkelerin yattığını ve bu cihazın nerede kullanıldığını öğreneceksiniz.

Nükleer enerjinin doğuşu

Dünyanın ilk nükleer reaktörü 1942'de ABD'de inşa edildi.ödüllü liderliğindeki deneysel fizikçiler grubu Nobel Ödülü Enrico Fermi. Aynı zamanda, kendi kendini idame ettiren bir uranyum fisyon reaksiyonu gerçekleştirdiler. Atom cini serbest bırakıldı.

İlk Sovyet nükleer reaktörü 1946'da fırlatıldı. ve 8 yıl sonra dünyanın ilk nükleer santrali Obninsk şehrinde akım verdi. SSCB'nin nükleer enerji endüstrisindeki çalışmaların baş bilimsel danışmanı, seçkin bir fizikçiydi. Igor Vasilyeviç Kurçatov.

O zamandan beri, birkaç nesil nükleer reaktör değişti, ancak tasarımının ana unsurları değişmeden kaldı.

Bir nükleer reaktörün anatomisi

Bu nükleer tesis, silindirik kapasitesi birkaç santimetreküpten birçok metreküpe kadar değişen kalın duvarlı çelik bir tanktır.

Bu silindirin içinde kutsalların kutsalı var - reaktör çekirdeği Nükleer yakıtın bölünmesinin zincirleme reaksiyonu burada gerçekleşir.

Bu sürecin nasıl gerçekleştiğini görelim.

Ağır elementlerin çekirdekleri, özellikle Uranyum-235 (U-235), küçük bir enerji itmesinin etkisi altında, yaklaşık olarak eşit kütleye sahip 2 parçaya ayrılabilirler. Bu sürecin etken maddesi nötrondur.

Fragmanlar çoğunlukla baryum ve kripton çekirdekleridir. Her biri pozitif bir yük taşır, bu nedenle Coulomb itme kuvvetleri onları ışık hızının yaklaşık 1/30'u hızında farklı yönlere dağılmaya zorlar. Bu parçalar devasa kinetik enerjinin taşıyıcılarıdır.

Enerjinin pratik kullanımı için, salınımının kendi kendini idame ettirmesi gereklidir. Zincirleme tepki, söz konusu olan daha da ilginç çünkü her fisyon olayına yeni nötronların emisyonu eşlik ediyor. Bir ilk nötron için ortalama olarak 2-3 yeni nötron ortaya çıkar. Bölünebilir uranyum çekirdeklerinin sayısı çığ gibi artıyor, muazzam bir enerjinin açığa çıkmasına neden olur. Bu süreç kontrol edilmezse nükleer bir patlama meydana gelir. 'de gerçekleşir.

Nötron sayısını kontrol etmek için nötronları emen malzemeler sisteme verilir, pürüzsüz bir enerji salınımı sağlar. Nötron soğurucu olarak kadmiyum veya bor kullanılmaktadır.

Parçaların devasa kinetik enerjisi nasıl durdurulur ve kullanılır? Bu amaçlar için bir soğutucu kullanılır, yani. içinde parçaların yavaşlatıldığı ve son derece yüksek sıcaklıklara ısıtıldığı hareket eden özel bir ortam. Böyle bir ortam, sıradan veya ağır su, sıvı metaller (sodyum) ve ayrıca bazı gazlar olabilir. Soğutucunun buhar haline geçmesine neden olmamak için, çekirdekte yüksek basınç korunur (160 atm'ye kadar). Bu nedenle, reaktörün duvarları on santimetrelik özel kalitede çelikten yapılmıştır.

Nötronlar nükleer yakıttan uçarsa, zincirleme reaksiyon kesintiye uğrayabilir. Bu nedenle, kritik bir bölünebilir malzeme kütlesi vardır, yani. bir zincirleme reaksiyonun sürdürüleceği minimum kütlesi. Reaktör çekirdeğini çevreleyen bir reflektörün varlığı da dahil olmak üzere çeşitli parametrelere bağlıdır. Nötronların çevreye sızmasını önlemeye yarar. Bu yapısal eleman için en yaygın malzeme grafittir.

Reaktörde meydana gelen işlemlere, en tehlikeli radyasyon türü olan gama radyasyonunun salınması eşlik eder. Bu tehlikeyi en aza indirmek için radyasyona karşı koruma sağlar.

Bir nükleer reaktör nasıl çalışır?

Yakıt elementleri adı verilen nükleer yakıt, reaktör çekirdeğine yerleştirilir. Bölünebilir bir malzemeden oluşturulmuş ve yaklaşık 3,5 m uzunluğunda ve 10 mm çapında ince tüpler halinde paketlenmiş tabletlerdir.

Çekirdeğe aynı türden yüzlerce yakıt düzeneği yerleştirilir ve bunlar zincirleme reaksiyon sırasında açığa çıkan termal enerji kaynakları haline gelir. Yakıt çubuklarını yıkayan soğutucu, reaktörün ilk devresini oluşturur.

Yüksek parametrelere ısıtıldığında, enerjisini ikincil devrenin suyuna aktararak buhara dönüştürdüğü buhar jeneratörüne pompalanır. Ortaya çıkan buhar, türbin jeneratörünü döndürür. Bu ünite tarafından üretilen elektrik tüketiciye aktarılır. Ve soğutma havuzundan su ile soğutulan egzoz buharı, yoğuşma şeklinde buhar üretecine geri döndürülür. Döngü kapanır.

Bir nükleer tesisin böyle bir iki devreli çalışması, çekirdekte meydana gelen süreçlere eşlik eden radyasyonun sınırlarının ötesine geçmesini dışlar.

Böylece, reaktörde bir enerji dönüşümleri zinciri gerçekleşir: bölünebilir malzemenin nükleer enerjisi → parçaların kinetik enerjisine → soğutucunun termal enerjisine → türbinin kinetik enerjisine → ve jeneratördeki elektrik enerjisine.

Kaçınılmaz enerji kaybı şu gerçeğine yol açar: Nükleer santrallerin verimliliği nispeten düşüktür, %33-34'tür.

Nükleer santrallerde elektrik enerjisi üretiminin yanı sıra, çeşitli radyoaktif izotopların üretilmesi, endüstrinin birçok alanında araştırma yapılması ve endüstriyel reaktörlerin izin verilen parametrelerinin çalışılması için nükleer reaktörler kullanılmaktadır. Araç motorlarına enerji sağlayan taşıma reaktörleri gün geçtikçe yaygınlaşıyor.

Nükleer reaktör türleri

Tipik olarak, nükleer reaktörler uranyum U-235 ile çalışır. Bununla birlikte, doğal malzemedeki içeriği son derece düşüktür, yalnızca %0,7'dir. Doğal uranyumun ana kütlesi U-238 izotopudur. U-235'teki bir zincirleme reaksiyona yalnızca yavaş nötronlar neden olabilir ve U-238 izotopu yalnızca hızlı nötronlar tarafından parçalanır. Nükleer fisyon sonucunda hem yavaş hem de hızlı nötronlar doğar. Soğutucuda (su) yavaşlama yaşayan hızlı nötronlar yavaşlar. Ancak doğal uranyumdaki U-235 izotopunun miktarı o kadar küçüktür ki, konsantrasyonunu% 3-5'e getirerek zenginleştirmeye başvurmak gerekir. Bu işlem çok pahalı ve ekonomik olarak dezavantajlıdır. Ayrıca tükenme süresi doğal Kaynaklar bu izotopun sadece 100-120 yaşında olduğu tahmin ediliyor.

Bu nedenle nükleer endüstride hızlı nötronlarla çalışan reaktörlere kademeli bir geçiş var.

Temel farkları, nötronları yavaşlatmayan sıvı metallerin soğutucu olarak kullanılması ve U-238'in nükleer yakıt olarak kullanılmasıdır. Bu izotopun çekirdekleri, U-235 ile aynı şekilde bir zincirleme reaksiyona tabi olan Plütonyum-239'a bir nükleer dönüşüm zincirinden geçer. Yani, nükleer yakıtın yeniden üretimi var ve tüketimini aşan bir miktarda.

Uzmanlara göre Uranyum-238 izotop rezervleri 3.000 yıl sürmelidir. Bu süre, insanlığın diğer teknolojileri geliştirmek için yeterli zamana sahip olması için oldukça yeterli.

Nükleer enerjinin kullanımındaki sorunlar

Nükleer enerjinin bariz avantajlarının yanı sıra, nükleer tesislerin işletilmesiyle ilgili sorunların boyutu da küçümsenemez.

Bunlardan ilki radyoaktif atıkların ve demonte ekipmanın bertarafı nükleer enerji. Bu elementler, uzun süre devam eden aktif bir radyasyon geçmişine sahiptir. Bu atıkların bertarafı için özel kurşun kaplar kullanılmaktadır. 600 metre derinliğe kadar permafrost alanlara gömülmeleri gerekiyor. Bu nedenle, bertaraf sorununu çözmesi ve gezegenimizin ekolojisinin korunmasına yardımcı olması gereken radyoaktif atığı işlemenin bir yolunu bulmak için çalışmalar sürekli olarak devam etmektedir.

İkinci önemli sorun ise NGS işletimi sırasında güvenliğin sağlanması.Çernobil gibi büyük kazalar birçok şeyi alıp götürebilir. insan hayatı ve geniş alanların hizmet dışı bırakılması.

Japon nükleer santrali "Fukushima-1"deki kaza, yalnızca nükleer tesislerde acil bir durum olması durumunda ortaya çıkan potansiyel tehlikeyi doğruladı.

Bununla birlikte, nükleer enerjinin olanakları o kadar büyük ki, çevre sorunları arka planda kalıyor.

Günümüzde insanlığın sürekli artan enerji açlığını tatmin etmenin başka yolu yoktur. Geleceğin nükleer enerji endüstrisinin temeli muhtemelen nükleer yakıt üretme işlevine sahip "hızlı" reaktörler olacaktır.

Bu mesaj sizin için yararlı olduysa, sizi görmekten memnuniyet duyarım.

20. yüzyılın ortalarında insanoğlunun dikkati atoma çevrildi ve bilim adamları başlangıçta askeri amaçlar için kullanmaya karar verdikleri nükleer reaksiyonu açıklayarak Manhattan Projesi kapsamında ilk nükleer bombaları icat ettiler. Ancak XX yüzyılın 50'lerinde SSCB'de bir nükleer reaktör barışçıl amaçlarla kullanıldı. 27 Haziran 1954 tarihinde dünyanın ilk 5000 kW kapasiteli nükleer santralinin insanlığın hizmetine girdiği bilinmektedir. Bugün bir nükleer reaktör 4.000 MW veya daha fazla, yani yarım asır öncesine göre 800 kat daha fazla elektrik üretebilir.

Nükleer reaktör nedir: ünitenin temel tanımı ve ana bileşenleri

Bir nükleer reaktör, kontrollü bir nükleer reaksiyonun doğru şekilde sürdürülmesi sonucunda enerjinin üretildiği özel bir ünitedir. "Atomik" kelimesinin "reaktör" kelimesiyle birlikte kullanılmasına izin verilir. Birçoğu, aralarında temel bir fark bulamadıkları için genellikle "nükleer" ve "atomik" kavramlarının eşanlamlı olduğunu düşünür. Ancak bilim temsilcileri, daha doğru bir kombinasyon olan "nükleer reaktör" e eğilimlidir.

İlginç hakikat! Nükleer reaksiyonlar, enerjinin salınması veya emilmesi ile devam edebilir.

Bir nükleer reaktörün cihazındaki ana bileşenler aşağıdaki unsurlardır:

• moderatör;
• Kontrol çubukları;
• Zenginleştirilmiş bir uranyum izotopları karışımı içeren çubuklar;
• Radyasyona karşı özel koruyucu elemanlar;
• Soğutucu;
• Buhar jeneratörü;
• türbin;
• Jeneratör;
• kapasitör;
• Nükleer yakıt.

Fizikçiler tarafından belirlenen bir nükleer reaktörün çalışmasının temel ilkeleri nelerdir ve neden sarsılmazdır?

Bir nükleer reaktörün çalışmasının temel prensibi, bir nükleer reaksiyonun tezahürünün özelliklerine dayanmaktadır. Standart bir fiziksel zincir nükleer işlem anında, parçacık atom çekirdeği ile etkileşime girer, bunun sonucunda bilim adamlarının gama quanta dediği ikincil parçacıkların salınmasıyla çekirdek yeni bir taneye dönüşür. Bir nükleer zincir reaksiyonu sırasında, büyük miktarda termal enerji açığa çıkar. Zincirleme reaksiyonun gerçekleştiği boşluğa reaktör çekirdeği denir.

İlginç hakikat! Aktif bölge, dışarıdan, içinden soğutucu görevi gören sıradan suyun aktığı bir kazanı andırır.

Nötron kaybını önlemek için, reaktör çekirdek alanı özel bir nötron reflektörü ile çevrilidir. Birincil görevi, yayılan nötronların çoğunu çekirdeğe reddetmektir. Yansıtıcı genellikle moderatör görevi gören aynı maddedir.

Bir nükleer reaktörün ana kontrolü, özel kontrol çubukları yardımıyla gerçekleşir. Bu çubukların reaktör çekirdeğine yerleştirildiği ve ünitenin çalışması için tüm koşulları oluşturduğu bilinmektedir. Tipik olarak, kontrol çubukları yapılır kimyasal bileşikler bor ve kadmiyum. Bu elemanlar neden kullanılır? Evet, bunun nedeni bor veya kadmiyumun termal nötronları etkili bir şekilde absorbe edebilmesidir. Ve bir nükleer reaktörün çalışma prensibine göre fırlatma planlanır planlanmaz, çekirdeğe kontrol çubukları sokulur. Birincil görevleri, nötronların önemli bir bölümünü emmek ve böylece bir zincirleme reaksiyonun gelişimini tetiklemektir. Sonuç istenen seviyeye ulaşmalıdır. Güç ayarlanan seviyenin üzerine çıktığında, kontrol çubuklarını zorunlu olarak reaktör çekirdeğinin derinliklerine daldıran otomatik makineler açılır.

Böylece, bir termal nükleer reaktörün çalışmasında kontrol veya kontrol çubuklarının önemli bir rol oynadığı ortaya çıkıyor.

Ve nötron sızıntısını azaltmak için, reaktör çekirdeği, çekirdeğe önemli miktarda serbestçe yayılan nötron fırlatan bir nötron reflektörü ile çevrilidir. Yansıtıcı anlamında genellikle moderatör ile aynı madde kullanılır.

Standarda göre, moderatör maddenin atomlarının çekirdeği nispeten küçük bir kütleye sahiptir, böylece hafif bir çekirdekle çarpıştığında, zincirde bulunan nötron, ağır bir çekirdekle çarpıştığında olduğundan daha fazla enerji kaybeder. En yaygın moderatörler sıradan su veya grafittir.

İlginç hakikat! Bir nükleer reaksiyon sürecindeki nötronlar, son derece yüksek bir hareket hızı ile karakterize edilir ve bu nedenle, nötronları enerjilerinin bir kısmını kaybetmeye iten bir moderatör gerekir.

Amacı, reaktörün kalbinde üretilen enerjiyi uzaklaştırmak olduğundan, dünyadaki tek bir reaktör bir soğutucu yardımı olmadan normal şekilde çalışamaz. Bir soğutucu olarak, nötronları ememedikleri için mutlaka sıvı veya gazlar kullanılır. Kompakt bir nükleer reaktör için bir soğutucu örneği verelim - su, karbondioksit ve hatta bazen sıvı metalik sodyum.

Bu nedenle, bir nükleer reaktörün çalışma ilkeleri tamamen bir zincirleme reaksiyonun yasalarına, seyrine dayanmaktadır. Reaktörün tüm bileşenleri - moderatör, çubuklar, soğutucu, nükleer yakıt - görevlerini yerine getirerek reaktörün normal çalışmasına neden olur.

Nükleer reaktörler için hangi yakıt kullanılır ve neden tam olarak bu kimyasal elementler seçilir?

Reaktörlerdeki ana yakıt uranyum izotopları, ayrıca plütonyum veya toryum olabilir.

1934'te, uranyum çekirdeğinin parçalanma sürecini gözlemleyen F. Joliot-Curie, sonuç olarak şunu fark etti: Kimyasal reaksiyon uranyum çekirdeği, çekirdek parçalarına ve iki veya üç serbest nötrona bölünmüştür. Ve bu, serbest nötronların diğer uranyum çekirdeklerine katılma ve başka bir fisyonu tetikleme olasılığının olduğu anlamına gelir. Ve böylece, zincirleme reaksiyonun öngördüğü gibi: üç uranyum çekirdeğinden altı ila dokuz nötron salınacak ve bunlar yeniden yeni oluşan çekirdeklere katılacaklar. Ve böylece sonsuza kadar.

Hatırlamak önemlidir! Nükleer fisyon sırasında ortaya çıkan nötronlar, kütle numarası 235 olan uranyum izotopunun çekirdeklerinin bölünmesine neden olabilir ve kütle numarası 238 olan uranyum izotopunun çekirdeklerinin yok edilmesi için, ortaya çıkan çok az enerji olabilir. çürüme süreci.

235 numaralı uranyum doğada nadirdir. Sadece %0,7'sini oluşturur, ancak doğal uranyum-238 daha geniş bir niş işgal eder ve %99,3'ünü oluşturur.

Doğada bu kadar küçük bir uranyum-235 oranına rağmen, fizikçiler ve kimyagerler hala onu reddedemezler, çünkü bir nükleer reaktörün çalışması için en etkili olanıdır ve insanlık için enerji elde etme maliyetini azaltır.

İlk nükleer reaktörler ne zaman ortaya çıktı ve bugün nerede kullanılıyor?

1919'da fizikçiler, Rutherford alfa parçacıklarının nitrojen atomlarının çekirdekleriyle çarpışmasının bir sonucu olarak hareket eden protonların oluşum sürecini keşfettiğinde ve tanımladığında zaten zafer kazanmıştı. Bu keşif, nitrojen izotopunun çekirdeğinin, bir alfa parçacığıyla çarpışmanın bir sonucu olarak, bir oksijen izotopunun çekirdeğine dönüştüğü anlamına geliyordu.

İlk nükleer reaktörler ortaya çıkmadan önce, dünya bir nükleer reaksiyonun tüm önemli yönlerini ele alan birkaç yeni fizik kanunu öğrendi. Böylece, 1934'te F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky, topluma ve dünya bilim adamları çevresine ilk kez nükleer reaksiyonların olasılığına dayanan teorik bir varsayım ve kanıt temeli sundu. Tüm deneyler, uranyum çekirdeğinin bölünmesinin gözlemlenmesiyle ilgiliydi.

1939'da E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch, uranyum çekirdeklerinin nötron bombardımanı sırasında parçalanma tepkimesinin izini sürdüler. Araştırmalar sırasında bilim adamları, hızlandırılmış bir nötron uranyum çekirdeğine girdiğinde, mevcut çekirdeğin iki veya üç parçaya bölündüğünü bulmuşlardır.

Zincirleme reaksiyon, 20. yüzyılın ortalarında pratik olarak kanıtlanmıştır. 1939'da bilim adamları, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesinin yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkardığını kanıtlamayı başardılar. Ancak parça çekirdeklerin kinetik enerjisine yaklaşık 165 MeV tahsis edilir ve geri kalanı onunla birlikte gama kuantumunu taşır. Bu keşif kuantum fiziğinde çığır açtı.

E. Fermi, çalışmalarını ve araştırmalarını birkaç yıl daha sürdürür ve 1942'de Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk nükleer reaktörü fırlatır. Somutlaştırılmış projeye "Chicago odun yığını" adı verildi ve raylara kondu. 5 Eylül 1945'te Kanada, ZEEP nükleer reaktörünü başlattı. Avrupa kıtası geride kalmadı ve aynı zamanda F-1 kurulumu yapılıyordu. Ve Ruslar için unutulmaz bir tarih daha var - 25 Aralık 1946'da Moskova'da I. Kurchatov önderliğinde bir reaktör başlatıldı. Bunlar en güçlü nükleer reaktörler değildi, ancak bu, atomun insan tarafından geliştirilmesinin başlangıcıydı.

Barışçıl amaçlar için, 1954'te SSCB'de bilimsel bir nükleer reaktör kuruldu. Dünyanın nükleer enerji santraline sahip ilk barışçıl gemisi olan Lenin nükleer buzkıran, 1959'da Sovyetler Birliği'nde inşa edildi. Ve devletimizin bir başarısı daha nükleer buzkıran Arktika. Bu yüzey gemisi dünyada ilk kez Kuzey Kutbu'na ulaştı. 1975'te oldu.

Yavaş nötronlarla çalışan ilk taşınabilir nükleer reaktörler.

Nükleer reaktörler nerede kullanılır ve insanlık hangi türleri kullanır?

• Endüstriyel reaktörler. Nükleer santrallerde enerji üretmek için kullanılırlar.
• Nükleer denizaltıların itici gücü olarak görev yapan nükleer reaktörler.
• Deneysel (taşınabilir, küçük) reaktörler. Onlar olmadan, tek bir modern değil bilimsel deneyim veya araştırma.

Bugün bilimsel ışık, özel reaktörler yardımıyla tuzdan arındırmayı öğrendi. deniz suyu nüfusa kalite sağlamak içme suyu. Rusya'da çok sayıda faal nükleer reaktör var. Yani istatistiklere göre 2018 itibariyle eyalette yaklaşık 37 blok faaliyet gösteriyor.

Ve sınıflandırmaya göre, aşağıdaki gibi olabilirler:

• Araştırma (tarihsel). Bunlar, plütonyum üretimi için deneysel bir alan olarak oluşturulan F-1 istasyonunu içerir. I.V. Kurchatov, F-1'de çalıştı, ilk fiziksel reaktörü denetledi.
• Araştırma (aktif).
• Cephanelik. Reaktörün bir örneği olarak - soğutmalı ilk reaktör olarak tarihe geçen A-1. Bir nükleer reaktörün geçmiş gücü küçük ama işlevseldir.
• Enerji.
• Gemi. Gemilerde ve denizaltılarda, ihtiyaç ve teknik olarak yapılabilirlik gereği su soğutmalı veya sıvı metal reaktörlerin kullanıldığı bilinmektedir.
• Uzay. Örnek olarak, ek bir miktar enerji çıkarmak gerekirse devreye giren ve kullanılarak elde edilmesi gerekecek olan uzay aracına Yenisey kurulumunu söyleyelim. Solar paneller ve izotop kaynakları.

Bu nedenle, nükleer reaktörler konusu oldukça geniştir, bu nedenle kuantum fiziği yasalarının derinlemesine çalışılmasını ve anlaşılmasını gerektirir. Ancak nükleer reaktörlerin enerji endüstrisi ve devlet ekonomisi için önemi, şüphesiz şimdiden bir fayda ve fayda havasıyla körüklenmiştir.

İçin sıradan insan modern yüksek teknolojili cihazlar o kadar gizemli ve esrarengiz ki, eskilerin şimşeğe taptığı gibi onlara da tapmak doğru. okul dersleri matematiksel hesaplamalarla dolu fizikçiler sorunu çözmüyor. Ancak çalışma prensibi bir genç için bile açık olan bir nükleer reaktörden bahsetmek bile ilginç.

Bir nükleer reaktör nasıl çalışır?

Bu yüksek teknoloji ürünü cihazın çalışma prensibi şu şekildedir:

1. Bir nötron emildiğinde, nükleer yakıt (çoğunlukla bu uranyum-235 veya plütonyum-239) atom çekirdeğinin bölünmesi gerçekleşir;
2. Kinetik enerji, gama radyasyonu ve serbest nötronlar açığa çıkar;
3. Kinetik enerji termal enerjiye dönüştürülür (çekirdekler çevredeki atomlarla çarpıştığında), gama radyasyonu reaktörün kendisi tarafından emilir ve ayrıca ısıya dönüştürülür;
4. Üretilen nötronların bir kısmı, bir zincirleme reaksiyona neden olan yakıt atomları tarafından emilir. Kontrol etmek için nötron emiciler ve moderatörler kullanılır;
5. Bir soğutucu (su, gaz veya sıvı sodyum) yardımıyla reaksiyon bölgesinden ısı uzaklaştırılır;
6. Buhar türbinlerini çalıştırmak için ısıtılmış sudan basınçlı buhar kullanılır;
7. Bir jeneratör yardımıyla, türbinlerin dönüşünün mekanik enerjisi alternatif elektrik akımına dönüştürülür.

sınıflandırma yaklaşımları

Reaktörlerin tipolojisinin birçok nedeni olabilir:

• Nükleer reaksiyon türüne göre. Fisyon (tüm ticari tesisler) veya füzyon (termonükleer enerji, yalnızca bazı araştırma enstitülerinde yaygındır);
• soğutucu ile. Vakaların büyük çoğunluğunda bu amaçla su (kaynar veya ağır) kullanılır. Bazen alternatif çözümler kullanılır: sıvı metal (sodyum, kurşun-bizmut alaşımı, cıva), gaz (helyum, karbon dioksit veya nitrojen), erimiş tuz (florür tuzları);
• Nesil olarak.İlki, herhangi bir ticari anlam ifade etmeyen ilk prototiplerdir. İkincisi, 1996'dan önce inşa edilmiş ve halen kullanılmakta olan nükleer santrallerin çoğunluğu. Üçüncü nesil, yalnızca küçük iyileştirmelerde öncekinden farklıdır. Dördüncü nesil üzerinde çalışmalar devam etmektedir;
• toplam durumuna göre yakıt (gaz hala yalnızca kağıt üzerinde mevcuttur);
• Kullanım amacına göre(elektrik üretimi, motor çalıştırma, hidrojen üretimi, tuzdan arındırma, elementlerin dönüştürülmesi, nöral radyasyon elde edilmesi, teorik ve araştırma amaçlı).

nükleer reaktör cihazı

Çoğu enerji santralindeki reaktörlerin ana bileşenleri şunlardır:

1. Nükleer yakıt - güç türbinleri için ısı üretimi için gerekli olan bir madde (genellikle düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum);
2. Nükleer reaktörün aktif bölgesi - nükleer reaksiyonun gerçekleştiği yer burasıdır;
3. Nötron moderatörü - hızlı nötronların hızını azaltarak onları termal nötronlara dönüştürür;
4. Başlangıç ​​nötron kaynağı - bir nükleer reaksiyonun güvenilir ve istikrarlı bir şekilde başlatılması için kullanılır;
5. Nötron soğurucu - taze yakıtın yüksek reaktivitesini azaltmak için bazı enerji santrallerinde bulunur;
6. Nötron obüsü - kapatıldıktan sonra bir reaksiyonu yeniden başlatmak için kullanılır;
7. Soğutucu (arıtılmış su);
8. Kontrol çubukları - uranyum veya plütonyum çekirdeklerinin bölünme hızını kontrol etmek için;
9. Su pompası - suyu buhar kazanına pompalar;
10. Buhar türbini - buharın termal enerjisini dönme mekanik enerjisine dönüştürür;
11. Soğutma kulesi - fazla ısıyı atmosfere atmak için bir cihaz;
12. Radyoaktif atıkları almak ve depolamak için sistem;
13. Güvenlik sistemleri (acil durum dizel jeneratörleri, acil durumda çekirdek soğutma cihazları).

En son modeller nasıl çalışır?

En yeni 4. nesil reaktörler ticari işletme için hazır olacak 2030'dan önce değil. Şu anda, çalışmalarının ilke ve düzeni geliştirme aşamasındadır. Mevcut verilere göre, bu modifikasyonlar mevcut modellerden farklı olacaktır. faydalar:

• Hızlı gaz soğutma sistemi. Helyumun soğutucu olarak kullanılacağı varsayılmaktadır. Buna göre Proje belgeleri 850 °C sıcaklığa sahip reaktörleri soğutmak mümkündür. Bu kadar yüksek sıcaklıklarda çalışmak için özel ham maddeler de gereklidir: kompozit seramik malzemeler ve aktinit bileşikleri;
• Birincil soğutucu olarak kurşun veya kurşun-bizmut alaşımı kullanmak mümkündür. Bu malzemeler düşük bir nötron absorpsiyonuna sahiptir ve nispeten düşük sıcaklık erime;
• Ayrıca, ana soğutucu olarak erimiş tuzların bir karışımı kullanılabilir. Böylece modern su soğutmalı muadillerine göre daha yüksek sıcaklıklarda çalışmak mümkün olacaktır.

Doğadaki doğal analoglar

Nükleer reaktör şu şekilde algılanıyor: kamu bilinci münhasıran yüksek teknoloji ürünü olarak. Ancak aslında ilk cihaz doğal kökenlidir. Orta Afrika'nın Gabon eyaletindeki Oklo bölgesinde keşfedildi:

• Reaktör, uranyum kayalarının taşması nedeniyle oluştu. yeraltı suyu. Nötron moderatörleri olarak hareket ettiler;
• Uranyumun bozunması sırasında açığa çıkan termal enerji, suyu buhara dönüştürür ve zincirleme reaksiyon durur;
• Soğutucu sıcaklığı düştükten sonra her şey tekrar eder;
• Sıvı kaynayıp reaksiyonun seyrini durdurmasaydı, insanlık yeni bir doğal afetle karşı karşıya kalacaktı;
• Bu reaktörde yaklaşık bir buçuk milyar yıl önce kendi kendini idame ettiren nükleer fisyon başladı. Bu süre zarfında yaklaşık 0,1 milyon watt çıkış gücü tahsis edildi;
• Böyle bir harika dünya üzerinde bilinen tek dünyadır. Yenilerinin ortaya çıkması imkansızdır: doğal hammaddelerdeki uranyum-235 oranı, bir zincirleme reaksiyonu sürdürmek için gereken seviyeden çok daha düşüktür.

Güney Kore'de kaç tane nükleer reaktör var?

Doğal kaynaklar açısından fakir, ancak sanayileşmiş ve aşırı nüfuslu Kore Cumhuriyeti'nin ciddi bir enerji ihtiyacı var. Almanya'nın barışçıl atomu reddetmesi zemininde, bu ülkenin nükleer teknolojiyi dizginlemek için büyük umutları var:

• 2035 yılına kadar nükleer santraller tarafından üretilen elektriğin payının% 60'a ve toplam üretimin - 40 gigawatt'tan fazla olması planlanıyor;
• Ülkenin atom silahları yok ama nükleer fizik araştırmaları devam ediyor. Koreli bilim adamları modern reaktörler için tasarımlar geliştirdiler: modüler, hidrojen, sıvı metal vb.;
• Yerel araştırmacıların başarısı, yurtdışında teknoloji satmanıza olanak tanır. Önümüzdeki 15-20 yıl içinde ülkenin bu tür 80 birim ihraç etmesi bekleniyor;
• Ancak bugün itibariyle nükleer santrallerin çoğu Amerikalı veya Fransız bilim adamlarının yardımıyla inşa edilmiştir;
• İşletme istasyonlarının sayısı nispeten azdır (sadece dört), ancak her birinin önemli sayıda reaktörü vardır - toplamda 40 ve bu rakam artacaktır.

Nötronlarla bombardıman edildiğinde, nükleer yakıt bir zincirleme reaksiyona girer ve bunun sonucunda büyük miktarda ısı üretilir. Sistemdeki su bu ısıyı alıp buhara çeviriyor ve bu da elektrik üreten türbinleri çeviriyor. İşte dünyadaki en güçlü enerji kaynağı olan bir atomik reaktörün çalışmasının basit bir diyagramı.

Video: nükleer reaktörler nasıl çalışır?

Bu videoda nükleer fizikçi Vladimir Chaikin size nükleer reaktörlerde elektriğin nasıl üretildiğini, detaylı yapısını anlatacak:

Göndermek

Nükleer reaktör nedir?

Eskiden "nükleer kazan" olarak bilinen bir nükleer reaktör, sürekli bir nükleer zincir reaksiyonunu başlatmak ve kontrol etmek için kullanılan bir cihazdır. Nükleer reaktörler, nükleer santrallerde elektrik üretimi ve gemi motorları için kullanılmaktadır. Nükleer fisyondan gelen ısı, buhar türbinlerinden geçirilen çalışma sıvısına (su veya gaz) aktarılır. Su veya gaz, geminin kanatlarını çalıştırır veya elektrik jeneratörlerini döndürür. Bir nükleer reaksiyondan elde edilen buhar prensip olarak termik endüstri veya bölgesel ısıtma için kullanılabilir. Bazı reaktörler, tıbbi ve endüstriyel uygulamalar için izotop üretmek veya silah kalitesinde plütonyum üretmek için kullanılır. Bazıları sadece araştırma amaçlıdır. Bugün dünyada yaklaşık 30 ülkede elektrik üretmek için kullanılan yaklaşık 450 nükleer güç reaktörü bulunmaktadır.

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi

Tıpkı konvansiyonel enerji santrallerinin yanan fosil yakıtlardan salınan termal enerjiyi kullanarak elektrik üretmesi gibi, nükleer reaktörler de kontrollü nükleer fizyonla salınan enerjiyi daha sonra mekanik veya elektriksel biçimlere dönüştürmek için termal enerjiye dönüştürür.

Nükleer fisyon süreci

Önemli sayıda bozunan atom çekirdeği (uranyum-235 veya plütonyum-239 gibi) bir nötronu emdiğinde, nükleer bozunma süreci meydana gelebilir. Ağır bir çekirdek, kinetik enerji, gama ışınları ve serbest nötronlar açığa çıkararak iki veya daha fazla hafif çekirdeğe (fisyon ürünleri) dönüşür. Bu nötronlardan bazıları daha sonra diğer bölünebilir atomlar tarafından absorbe edilebilir ve daha fazla nötron salan daha fazla fisyona neden olabilir ve bu böyle devam eder. Bu süreç nükleer zincir reaksiyonu olarak bilinir.

Böyle bir nükleer zincir reaksiyonunu kontrol etmek için, nötron emiciler ve moderatörler, daha fazla çekirdeğin bölünmesine giden nötronların oranını değiştirebilirler. Nükleer reaktörler, tehlikeli durumlar tespit edildiğinde bozunma reaksiyonunu durdurabilmek için manuel veya otomatik olarak kontrol edilir.

Yaygın olarak kullanılan nötron akı düzenleyicileri, sıradan ("hafif") su (dünyadaki reaktörlerin %74,8'i), katı grafit (reaktörlerin %20'si) ve "ağır" sudur (reaktörlerin %5'i). Bazı deneysel reaktör tiplerinde berilyum ve hidrokarbonların kullanılması önerilmektedir.

Bir nükleer reaktörde ısı üretimi

Reaktörün çalışma bölgesi birkaç şekilde ısı üretir:

• Fisyon ürünlerinin kinetik enerjisi, çekirdekler komşu atomlarla çarpıştığında termal enerjiye dönüştürülür.
• Reaktör, fisyon sırasında üretilen gama radyasyonunun bir kısmını emer ve enerjisini ısıya dönüştürür.
• Isı, fisyon ürünlerinin ve nötron absorpsiyonundan etkilenen malzemelerin radyoaktif bozunmasından üretilir. Bu ısı kaynağı, reaktör kapatıldıktan sonra bile bir süre değişmeden kalacaktır.

Nükleer reaksiyonlar sırasında, bir kilogram uranyum-235 (U-235), geleneksel olarak yakılan bir kilogram kömürden yaklaşık üç milyon kat daha fazla enerji salar (kilogram kömür başına 2,4 × 107 jul ile karşılaştırıldığında, bir kilogram uranyum-235 başına 7,2 × 1013 joule) ,

Nükleer reaktör soğutma sistemi

Bir nükleer reaktörün soğutucusu - genellikle su, ancak bazen gaz, sıvı metal (sıvı sodyum gibi) veya erimiş tuz - üretilen ısıyı emmek için reaktör çekirdeğinin etrafında dolaştırılır. Isı reaktörden çıkarılır ve daha sonra buhar üretmek için kullanılır. Çoğu reaktör, tıpkı bir basınçlı su reaktörü gibi, kaynayan ve türbinler için kullanılan buharı üreten sudan fiziksel olarak izole edilmiş bir soğutma sistemi kullanır. Ancak bazı reaktörlerde buhar türbinleri için su doğrudan reaktör çekirdeğinde kaynatılır; örneğin basınçlı su reaktöründe.

Reaktörde nötron akı kontrolü

Reaktör güç çıkışı, daha fazla fisyona neden olabilecek nötronların sayısı kontrol edilerek kontrol edilir.

Nötronları emmek için "nötron zehirinden" yapılan kontrol çubukları kullanılır. Kontrol çubuğu tarafından ne kadar çok nötron emilirse, o kadar az nötron daha fazla fisyona neden olabilir. Böylece soğurma çubuklarının reaktörün derinliklerine daldırılması çıkış gücünü azaltırken, tersine kontrol çubuğunun çıkarılması onu artıracaktır.

Tüm nükleer reaktörlerdeki ilk kontrol seviyesinde, bir dizi nötronca zenginleştirilmiş fisyon izotoplarından nötronların gecikmeli emisyonu önemli bir fiziksel süreçtir. Bu gecikmeli nötronlar, fisyon sırasında üretilen toplam nötron sayısının yaklaşık %0,65'ini oluştururken, geri kalanı ("hızlı nötronlar" olarak adlandırılır) fisyon sırasında hemen oluşur. Gecikmiş nötronları oluşturan fisyon ürünleri, milisaniyeler ile birkaç dakika arasında değişen yarı ömürlere sahiptir ve bu nedenle, reaktörün ne zaman ulaştığını doğru bir şekilde belirlemek oldukça zaman alır. kritik nokta. Reaktörü, kritik kütleye ulaşmak için gecikmiş nötronlara ihtiyaç duyulan bir zincirleme reaktivite modunda tutmak, zincirleme reaksiyonu "gerçek zamanlı" olarak kontrol etmek için mekanik cihazlar veya insan kontrolü ile sağlanır; aksi takdirde, normal bir nükleer zincir reaksiyonundaki üstel güç artışının bir sonucu olarak kritikliğe ulaşma ile bir nükleer reaktörün çekirdeğini eritme arasındaki süre müdahale etmek için çok kısa olacaktır. Bu son aşama gecikmeli nötronların artık kritikliği korumak için gerekli olmadığı durumlarda, hızlı kritiklik olarak bilinir. İlk kritikliğin "sıfır dolar" terimiyle, hızlı kritik noktanın "bir dolar" olarak, süreçteki diğer noktaların "sent" cinsinden enterpole edildiği, sayısal biçimde kritikliği tanımlamak için bir ölçek vardır.

Bazı reaktörlerde, soğutucu aynı zamanda bir nötron moderatörü görevi de görür. Moderatör, fisyon sırasında açığa çıkan hızlı nötronların enerji kaybederek termal nötronlara dönüşmesine neden olarak reaktörün gücünü artırır. Termal nötronların fisyona neden olma olasılığı, hızlı nötronlardan daha fazladır. Soğutucu aynı zamanda bir nötron moderatörüyse, sıcaklıktaki değişiklikler soğutucu/moderatörün yoğunluğunu ve dolayısıyla reaktör güç çıkışındaki değişikliği etkileyebilir. Soğutucunun sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, o kadar az yoğun olur ve dolayısıyla daha az etkili moderatör olur.

Diğer reaktör türlerinde, soğutma sıvısı, nötronları kontrol çubuklarıyla aynı şekilde emerek bir "nötron zehiri" görevi görür. Bu reaktörlerde, soğutucu akışkan ısıtılarak daha az yoğun hale getirilerek güç çıkışı artırılabilir. Nükleer reaktörler tipik olarak reaktörü acil durum kapatması için kapatmak için otomatik ve manuel sistemlere sahiptir. Bu sistemler, tehlikeli koşullar tespit edildiğinde veya şüphelenildiğinde fisyon sürecini durdurmak için reaktöre büyük miktarlarda "nötron zehiri" (genellikle borik asit formundaki bor) koyar.

Çoğu reaktör tipi, "ksenon çukuru" veya "iyot çukuru" olarak bilinen bir işleme duyarlıdır. Yaygın bir fisyon ürünü olan xenon-135, reaktörü kapatmaya çalışan bir nötron soğurucu görevi görür. Ksenon-135'in birikmesi, nötronları üretildiği anda emerek onu yok etmeye yetecek kadar yüksek bir güç seviyesi sağlanarak kontrol edilebilir. Fisyon aynı zamanda iyot-135 oluşumuyla sonuçlanır, bu da bozunarak (6.57 saatlik yarı ömürle) ksenon-135'i oluşturur. Reaktör kapatıldığında, iyot-135, ksenon-135'i oluşturmak için bozulmaya devam eder, bu da reaktörün yeniden başlatılmasını bir veya iki gün içinde zorlaştırır, çünkü ksenon-135, bir nötron emici olmayan sezyum-135'i oluşturmak için bozunur. xenon-135.135, yarılanma ömrü 9.2 saat. Bu geçici durum "iyot çukuru" dur. Reaktörün yeterli ek gücü varsa, yeniden başlatılabilir. Daha fazla ksenon-135, nötron soğurucudan daha az olan ksenon-136'ya dönüşecek ve birkaç saat içinde reaktör "ksenon yanma aşamasını" yaşıyor. Ek olarak, kaybolan ksenon-135'in yerini alacak nötronların emilimini telafi etmek için reaktöre kontrol çubukları yerleştirilmelidir. Bu prosedüre uygun şekilde uyulmaması, Çernobil nükleer santralindeki kazanın ana nedeniydi.

Deniz nükleer tesislerinde (özellikle nükleer denizaltılarda) kullanılan reaktörler, genellikle karadaki güç reaktörleriyle aynı şekilde sürekli güç modunda başlatılamaz. Ayrıca bu tür santrallerin yakıt değiştirmeden uzun süre çalışması gerekir. Bu nedenle, birçok tasarım yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanır ancak yakıt çubuklarında yanabilir bir nötron soğurucu içerir. Bu, daha sonra geleneksel uzun ömürlü nötron soğurucularla değiştirilen nötron soğurucu malzemenin mevcudiyetinden dolayı reaktör yakıt döngüsünün yanmasının başlangıcında nispeten güvenli olan, fazla bölünebilir malzemeye sahip bir reaktör tasarlamayı mümkün kılar. (ksenon-135'ten daha dayanıklı), reaktörün ömrü boyunca kademeli olarak biriken yakıt.

Elektrik nasıl üretilir?

Fisyon sırasında üretilen enerji, bir kısmı faydalı enerjiye dönüştürülebilen ısı üretir. genel yöntem Bu termal enerjinin kullanımı, suyu kaynatmak ve basınçlı buhar üretmek için kullanmaktır, bu da bir alternatörü çalıştıran ve elektrik üreten bir buhar türbinini çalıştırır.

İlk reaktörlerin ortaya çıkış tarihi

Nötronlar 1932'de keşfedildi. Nötronlara maruz kalmanın bir sonucu olarak nükleer reaksiyonların tetiklediği bir zincirleme reaksiyon şeması ilk kez 1933'te Macar bilim adamı Leo Sillard tarafından gerçekleştirildi. Gelecek yıl Londra'daki Admiralty'de basit reaktör fikri için patent başvurusunda bulundu. Bununla birlikte, Szilard'ın fikri, bir nötron kaynağı olarak nükleer fisyon teorisini içermiyordu, çünkü bu süreç henüz keşfedilmemişti. Szilard'ın hafif elementlerde nötron aracılı bir nükleer zincirleme reaksiyon kullanan nükleer reaktör fikirleri işe yaramaz hale geldi.

Uranyum kullanan yeni bir reaktör tipinin yaratılmasının itici gücü, 1938'de uranyumu nötronlarla "bombalayan" ("nötron tabancası" olan berilyumun alfa bozunma reaksiyonunu kullanan) Lise Meitner, Fritz Strassmann ve Otto Hahn'ın keşfiydi. uranyum çekirdeklerinin çürümesinden kaynaklandığına inandıkları gibi baryum oluşturmak için. 1939'un başlarında yapılan sonraki çalışmalar (Szilard ve Fermi), atomun parçalanması sırasında bazı nötronların da üretildiğini gösterdi ve bu, Szilard'ın altı yıl önce öngördüğü gibi bir nükleer zincirleme reaksiyonu gerçekleştirmeyi mümkün kıldı.

2 Ağustos 1939'da Albert Einstein, Szilard'ın Başkan Franklin D. Roosevelt'e yazdığı ve uranyum fisyonunun keşfinin "son derece güçlü yeni tip bombaların" yaratılmasına yol açabileceğini belirten bir mektubu imzaladı. Bu, reaktörler ve radyoaktif bozunma çalışmalarına ivme kazandırdı. Szilard ve Einstein birbirlerini iyi tanıyorlardı ve uzun yıllar birlikte çalıştılar, ancak Einstein nükleer enerji için böyle bir olasılığı hiç düşünmemişti, ta ki Szilard ona, arayışının en başında, ABD hükümetini uyarmak için bir Einstein-Szilard mektubu yazmasını bildirene kadar.

Kısa bir süre sonra, 1939'da Nazi Almanyası Polonya'yı işgal ederek Avrupa'da 2. Dünya Savaşı'nı başlattı. Resmi olarak ABD henüz savaşa girmemişti, ancak Ekim ayında Einstein-Szilard mektubu teslim edildiğinde, Roosevelt çalışmanın amacının "Nazilerin bizi havaya uçurmamasını" sağlamak olduğunu belirtti. ABD nükleer projesi, biraz gecikmeli de olsa, şüphecilik devam ettiği için (özellikle Fermi'den) ve başlangıçta projeyi denetleyen az sayıdaki hükümet yetkilisi nedeniyle başladı.

Ertesi yıl ABD hükümeti, Britanya'dan bir zincirleme reaksiyonu gerçekleştirmek için gereken uranyum miktarının önceden düşünülenden çok daha az olduğunu belirten bir Frisch-Peierls muhtırası aldı. Muhtıra, İngiltere'de atom bombası projesinde çalışan, daha sonra "Tube Alaşımları" (Tubular Alaşımları) kod adıyla bilinen ve daha sonra Manhattan Projesi'ne dahil olan Maud Commity'nin katılımıyla oluşturuldu.

Nihayetinde, Chicago Woodpile 1 adlı ilk insan yapımı nükleer reaktör, 1942'nin sonlarında Enrico Fermi liderliğindeki bir ekip tarafından Chicago Üniversitesi'nde inşa edildi. savaş. "Chicago Woodpile" 2 Aralık 1942'de 15 saat 25 dakikada kritik bir noktaya ulaştı. Reaktörün çerçevesi ahşaptı ve doğal uranyum oksidin iç içe geçmiş "briketleri" veya "sahte küreleri" ile bir grafit blok yığınını (dolayısıyla adı) bir arada tutuyordu.

1943'ten başlayarak, Chicago Woodpile'ın yaratılmasından kısa bir süre sonra, ABD ordusu Manhattan Projesi için bir dizi nükleer reaktör geliştirdi. En büyük reaktörlerin (Washington eyaletindeki Hanford kompleksinde bulunan) ana amacı, nükleer silahlar için seri plütonyum üretimiydi. Fermi ve Szilard, 19 Aralık 1944'te reaktörler için patent başvurusunda bulundu. Verilmesi, savaş zamanı gizliliği nedeniyle 10 yıl ertelendi.

"Dünyanın İlki" - bu yazıt, şu anda Idaho, Arco şehri yakınlarındaki bir müze olan EBR-I reaktörünün yerinde yapılmıştır. Başlangıçta "Chicago Woodpile-4" olarak adlandırılan bu reaktör, Aregonne Ulusal Laboratuvarı için Walter Zinn yönetiminde inşa edildi. Bu deneysel hızlı üretici reaktör, ABD Atom Enerjisi Komisyonu'nun emrindeydi. Reaktör, 20 Aralık 1951'de test edildiğinde 0,8 kW güç ve ertesi gün 200 kW (elektrik gücü) tasarım kapasitesiyle 100 kW güç (elektrik) üretti.

Nükleer reaktörlerin askeri kullanımına ek olarak, barışçıl amaçlarla atom enerjisi araştırmalarına devam etmek için siyasi nedenler vardı. ABD Başkanı Dwight Eisenhower yaptığı ünlü konuşma 8 Aralık 1953 BM Genel Kurulu'nda "Barış İçin Atomlar" Bu diplomatik hamle, reaktör teknolojisinin hem ABD'de hem de dünyada yayılmasını sağladı.

Sivil amaçlı inşa edilen ilk nükleer santral, Sovyetler Birliği'nde 27 Haziran 1954'te hizmete giren Obninsk'teki AM-1 nükleer santraliydi. Yaklaşık 5 MW elektrik enerjisi üretti.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, ABD ordusu nükleer reaktör teknolojisi için başka uygulamalar aradı. Kara ve Hava Kuvvetlerinde yapılan çalışmalar hayata geçirilmedi; Ancak ABD Donanması, 17 Ocak 1955'te nükleer denizaltı USS Nautilus'u (SSN-571) fırlatarak başarıya ulaştı.

İlk ticari nükleer enerji santrali (Sellafield, İngiltere'deki Calder Hall) 1956'da 50 MW'lık bir başlangıç ​​kapasitesiyle (daha sonra 200 MW) açıldı.

İlk taşınabilir nükleer reaktör "Alco PM-2A", 1960'tan beri ABD askeri üssü "Camp Century" için elektrik (2 MW) üretmek için kullanılıyor.

Bir nükleer santralin ana bileşenleri

Çoğu nükleer santral türünün ana bileşenleri şunlardır:

Bir nükleer reaktörün elemanları

• Nükleer yakıt (nükleer reaktör çekirdeği; nötron düzenleyici)
• İlk nötron kaynağı
• nötron soğurucu
• Nötron tabancası (kapatıldıktan sonra reaksiyonu yeniden başlatmak için sabit bir nötron kaynağı sağlar)
• Soğutma sistemi (genellikle nötron düzenleyici ve soğutma sıvısı aynıdır, genellikle arıtılmış sudur)
• kontrol çubukları
• Nükleer reaktör kabı (NRC)

Kazan suyu pompası

• Buhar jeneratörleri (kaynar su reaktörlerinde değil)
• Buhar türbünü
• elektrik jeneratörü
• kapasitör
• Soğutma kulesi (her zaman gerekli değildir)
• Radyoaktif Atık Arıtma Sistemi (Radyoaktif Atık Bertaraf Tesisi Parçası)
• Nükleer yakıt yeniden yükleme sitesi
• Kullanılmış yakıt havuzu

Radyasyon güvenlik sistemi

• Rektör koruma sistemi (SZR)
• Acil dizel jeneratörler
• Reaktör Çekirdeği Acil Durum Soğutma Sistemi (ECCS)
• Acil durum sıvı kontrol sistemi (bor acil durum enjeksiyonu, yalnızca kaynar su reaktörlerinde)
• Sorumlu tüketiciler için servis suyu temin sistemi (SOTVOP)

Koruyucu kabuk

• Uzaktan kumanda
• acil kurulum
• Nükleer eğitim kompleksi (kural olarak, kontrol panelinin bir simülasyonu vardır)

Nükleer reaktörlerin sınıflandırılması

Nükleer reaktör türleri

Nükleer reaktörler çeşitli şekillerde sınıflandırılır; özet bu sınıflandırma yöntemleri aşağıda sunulmuştur.

Moderatör tipine göre nükleer reaktörlerin sınıflandırılması

Kullanılan termik reaktörler:

• grafit reaktörler
  
• Basınçlı su reaktörleri
• Ağır su reaktörleri(Kanada, Hindistan, Arjantin, Çin, Pakistan, Romanya ve Güney Kore'de kullanılmaktadır).
• Hafif su reaktörleri(LVR). Hafif su reaktörleri (en yaygın termal reaktör tipi), reaktörleri kontrol etmek ve soğutmak için normal su kullanır. Suyun sıcaklığı yükselirse, yoğunluğu azalır ve nötron akışını daha fazla zincirleme reaksiyona neden olacak kadar yavaşlatır. Bu negatif geri besleme, nükleer reaksiyonun hızını dengeler. Grafit ve ağır su reaktörleri, hafif su reaktörlerinden daha yoğun ısınma eğilimindedir. Ekstra ısı nedeniyle, bu tür reaktörler doğal uranyum/zenginleştirilmemiş yakıt kullanabilir.
• Hafif element moderatörlerine dayalı reaktörler.
• Erimiş tuz kontrollü reaktörler(MSR), LiF ve BEF2 soğutucu sıvı/yakıt matris tuzlarının bir parçası olan lityum veya berilyum gibi hafif elementlerin varlığıyla kontrol edilir.
• Sıvı metal soğutuculu reaktörler Soğutucunun bir kurşun ve bizmut karışımı olduğu durumlarda, nötron soğurucuda BeO oksit kullanılabilir.
• Organik moderatör bazlı reaktörler(OMR), moderatör ve soğutucu bileşenler olarak difenil ve terfenil kullanır.

Nükleer reaktörlerin soğutucu tipine göre sınıflandırılması

• Su soğutmalı reaktör. Amerika Birleşik Devletleri'nde 104 çalışan reaktör var. Bunlardan 69'u basınçlı su reaktörleri (PWR'ler) ve 35'i kaynar su reaktörleridir (BWR'ler). Basınçlı su nükleer reaktörleri (PWR'ler), tüm Batı nükleer santrallerinin büyük çoğunluğunu oluşturur. RVD tipinin ana özelliği, özel bir yüksek basınçlı kap olan bir süper şarj cihazının varlığıdır. Ticari yüksek basınçlı reaktörlerin ve deniz reaktör tesislerinin çoğu süper şarj cihazları kullanır. Normal çalışma sırasında, üfleyici kısmen su ile doldurulur ve üzerinde suyun dalgıç ısıtıcılarla ısıtılmasıyla oluşturulan bir buhar kabarcığı tutulur. Normal modda, supercharger reaktörün basınç kabına (HRV) bağlanır ve reaktördeki su hacminin değişmesi durumunda basınç kompansatörü bir boşluk sağlar. Böyle bir şema, ısıtıcılar kullanılarak dengeleyicideki buhar basıncını artırarak veya azaltarak reaktördeki basıncın kontrolünü de sağlar.

• Yüksek basınçlı ağır su reaktörleriÇeşitli basınçlı su reaktörlerine (PWR) ait olup, ekonomik açıdan faydalı olan bir soğutucu ve moderatör olarak ağır suyun kullanıldığını varsayarak, izole edilmiş bir termal döngü olan basınç kullanma ilkelerini birleştirir.
• kaynar su reaktörü(BWR). Kaynar su reaktör modelleri, ana reaktör kabının dibindeki yakıt çubuklarının etrafında kaynar su bulunmasıyla karakterize edilir. Kaynar su reaktörü yakıt olarak uranyum dioksit formunda zenginleştirilmiş 235U kullanır. Yakıt, sırayla suya daldırılan çelik bir kaba yerleştirilmiş çubuklar halinde düzenlenmiştir. Nükleer fisyon işlemi, suyun kaynamasına ve buharın oluşmasına neden olur. Bu buhar türbinlerdeki boru hatlarından geçer. Türbinler buharla çalışır ve bu işlem elektrik üretir. Normal çalışma sırasında basınç, reaktör basınç kabından türbine akan buhar miktarı tarafından kontrol edilir.
• Havuz tipi reaktör
• Sıvı metal soğutuculu reaktör. Su bir nötron düzenleyici olduğundan, hızlı bir nötron reaktöründe soğutucu olarak kullanılamaz. Sıvı metal soğutucular arasında sodyum, NaK, kurşun, kurşun-bizmut ötektik ve erken nesil reaktörler için cıva bulunur.
• Sodyum soğutuculu hızlı nötron reaktörü.
• Kurşun soğutma sıvısı ile hızlı nötronlar üzerinde reaktör.
• Gaz soğutmalı reaktörler yüksek sıcaklıktaki yapılarda helyum ile tasarlanan sirküle eden inert gazla soğutulur. Aynı zamanda, daha önce İngiliz ve Fransız nükleer santrallerinde karbondioksit kullanıldı. Azot da kullanılmıştır. Isı kullanımı reaktör tipine bağlıdır. Bazı reaktörler o kadar sıcaktır ki gaz doğrudan bir gaz türbinini çalıştırabilir. Daha eski reaktör tasarımları, tipik olarak, bir buhar türbini için buhar üretmek üzere bir ısı eşanjöründen gaz geçirilmesini içeriyordu.
• Erimiş tuz reaktörleri(MSR), sirküle eden erimiş tuzla (genellikle FLiBe gibi florür tuzlarının ötektik karışımları) soğutulur. Tipik bir MSR'de, soğutma sıvısı ayrıca içinde bölünebilir malzemenin çözündüğü bir matris olarak kullanılır.

Nesiller boyu nükleer reaktörler

• Birinci nesil reaktör(erken prototipler, araştırma reaktörleri, ticari olmayan güç reaktörleri)
• İkinci nesil reaktör(çoğu modern nükleer santral 1965-1996)
• Üçüncü nesil reaktör(1996'dan günümüze mevcut tasarımlarda evrimsel iyileştirmeler)
• dördüncü nesil reaktör(teknolojiler hala geliştirilmekte, bilinmeyen başlangıç ​​tarihi, muhtemelen 2030)

2003 yılında, Fransız Atom Enerjisi Komiserliği (CEA), Nükleonik Haftası sırasında ilk kez "Gen II" tanımını tanıttı.

"Gen III"ten ilk kez 2000 yılında, Generation IV International Forum'un (GIF) başlamasıyla bağlantılı olarak bahsedilmiştir.

"Gen IV", 2000 yılında Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı (DOE) tarafından yeni tip enerji santrallerinin geliştirilmesi için bahsedilmiştir.

Nükleer reaktörlerin yakıt türüne göre sınıflandırılması

• Katı yakıt reaktörü
• sıvı yakıt reaktörü
• Homojen Su Soğutmalı Reaktör
• Erimiş tuz reaktörü
• Gaz yakıtlı reaktörler (teorik olarak)

Nükleer reaktörlerin amaca göre sınıflandırılması

• elektrik üretimi
• Küçük küme reaktörleri dahil nükleer enerji santralleri
• Kendinden tahrikli cihazlar (bkz. nükleer santraller)
• Nükleer açık deniz tesisleri
• Önerilen çeşitli roket motorları türleri
• Isının diğer kullanımları
• tuzdan arındırma
• Evsel ve endüstriyel ısıtma için ısı üretimi
• Hidrojen enerjisinde kullanılmak üzere hidrojen üretimi
• Element dönüşümü için üretim reaktörleri
• Zincirleme reaksiyon sırasında tükettiklerinden daha fazla bölünebilir malzeme üretebilen besici reaktörler (ana izotoplar U-238'i Pu-239'a veya Th-232'yi U-233'e dönüştürerek). Böylece, bir döngüyü gerçekleştirdikten sonra, uranyum besleme reaktörü, doğal ve hatta seyreltilmiş uranyum ile tekrar tekrar doldurulabilir. Buna karşılık, toryum besleme reaktörü toryum ile yeniden doldurulabilir. Bununla birlikte, ilk bölünebilir malzeme kaynağına ihtiyaç vardır.
• Duman dedektörlerinde kullanım için americium ve izleyici olarak ve tedavi için kullanılan kobalt-60, molibden-99 ve diğerleri gibi çeşitli radyoaktif izotopların oluşturulması.
• Silah sınıfı plütonyum gibi nükleer silahlar için malzemelerin üretimi
• Bir nötron radyasyon kaynağı (örneğin, Lady Godiva darbeli reaktör) ve pozitron radyasyonu (örneğin, nötron aktivasyon analizi ve potasyum-argon tarihlemesi) oluşturulması
• Araştırma Reaktörü: Tipik olarak, reaktörler bilimsel araştırma ve öğretim, malzeme testi veya tıp ve endüstri için radyoizotop üretimi için kullanılır. Güç reaktörlerinden veya gemi reaktörlerinden çok daha küçüktürler. Bu reaktörlerin çoğu üniversite kampüslerinde bulunmaktadır. 56 ülkede faaliyet gösteren yaklaşık 280 reaktör var. Bazıları yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum yakıtı ile çalışır. Düşük düzeyde zenginleştirilmiş yakıtları değiştirmek için uluslararası çabalar devam etmektedir.

Modern nükleer reaktörler

Basınçlı Su Reaktörleri (PWR)

Bu reaktörler, nükleer yakıtı, kontrol çubuklarını, moderatörü ve soğutucuyu tutmak için bir basınçlı kap kullanır. Reaktörler soğutulur ve nötronlar, yüksek basınç altında sıvı su ile yumuşatılır. Basınçlı kaptan çıkan sıcak radyoaktif su, ikincil (radyoaktif olmayan) devreyi ısıtan buhar jeneratörü devresinden geçer. Bu reaktörler, modern reaktörlerin çoğunluğunu oluşturmaktadır. Bu, nötron reaktörü ısıtma tasarım cihazıdır ve bunların en sonuncusu VVER-1200, gelişmiş basınçlı su reaktörü ve Avrupa basınçlı su reaktörüdür. ABD Deniz Kuvvetleri reaktörleri bu türdendir.

Kaynar Su Reaktörleri (BWR'ler)

Kaynar su reaktörleri, buhar jeneratörü olmayan basınçlı su reaktörlerine benzer. Kaynar su reaktörleri ayrıca suyu soğutucu olarak ve nötron moderatörünü basınçlı su reaktörleri olarak kullanır, ancak daha düşük bir basınçta, bu da suyun kazanın içinde kaynamasına izin vererek türbinleri döndüren buhar oluşturur. Basınçlı su reaktörünün aksine, birincil ve ikincil devre yoktur. Bu reaktörlerin ısıtma kapasitesi daha yüksek olabilir ve tasarımı daha basit, hatta daha kararlı ve daha güvenli olabilir. Bu bir termal nötron reaktörü cihazıdır ve en yenileri gelişmiş kaynar su reaktörü ve ekonomik basitleştirilmiş kaynar su nükleer reaktörüdür.

Basınçlı Ağır Su Yönetmeli Reaktör (PHWR)

Bir Kanada tasarımı (CANDU olarak bilinir), bunlar basınçlı ağır su kontrollü reaktörlerdir. Basınçlı su reaktörlerinde olduğu gibi tek bir basınçlı kap kullanmak yerine, yakıt yüzlerce yüksek basınç kanalındadır. Bu reaktörler doğal uranyumla çalışır ve termal nötron reaktörleridir. Ağır su reaktörleri çalışırken yakıt ikmali yapılabilir. tam güç, bu da onları uranyum kullanırken çok verimli kılar (bu, çekirdekteki akışın hassas kontrolünü sağlar). Kanada, Arjantin, Çin, Hindistan, Pakistan, Romanya ve Güney Kore'de ağır su CANDU reaktörleri inşa edildi. Hindistan ayrıca, Kanada hükümetinin 1974'teki "Gülümseyen Buda" nükleer silah denemesinin ardından Hindistan ile nükleer ilişkilerini sona erdirmesinden sonra inşa edilen ve genellikle "CANDU türevleri" olarak anılan bir dizi ağır su reaktörünü de işletmektedir.

Yüksek güçlü kanal reaktörü (RBMK)

Plütonyum ve elektrik üretmek için tasarlanmış Sovyet gelişimi. RBMK'ler, suyu soğutucu olarak ve grafiti nötron moderatörü olarak kullanır. RBMK'ler, hizmet sırasında yeniden şarj edilebildikleri ve basınçlı kap yerine basınçlı tüpler kullanabildikleri için (basınçlı su reaktörlerinde yaptıkları gibi) bazı açılardan CANDU'lara benzerler. Bununla birlikte, CANDU'dan farklı olarak, çok dengesiz ve hacimlidirler, bu da reaktör kapağını pahalı hale getirir. RBMK tasarımlarında bir dizi kritik güvenlik eksikliği de tespit edildi, ancak bu eksikliklerin bazıları Çernobil felaketinden sonra düzeltildi. Başlıca özelliği, hafif su ve zenginleştirilmemiş uranyum kullanılmasıdır. 2010 itibariyle, büyük ölçüde iyileştirilmiş güvenlik ve ABD Enerji Bakanlığı gibi uluslararası güvenlik kuruluşlarının desteği nedeniyle 11 reaktör açık durumda. Bu gelişmelere rağmen, RBMK reaktörleri hala kullanımı en tehlikeli reaktör tasarımlarından biri olarak kabul ediliyor. RBMK reaktörleri yalnızca eski Sovyetler Birliği'nde kullanıldı.

Gaz Soğutmalı Reaktör (GCR) ve Gelişmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR)

Tipik olarak bir grafit nötron düzenleyici ve bir CO2 soğutucu kullanırlar. Yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle, ısı üretimi için basınçlı su reaktörlerinden daha yüksek verime sahip olabilirler. Başta konseptin geliştirildiği Birleşik Krallık'ta olmak üzere, bu tasarıma sahip bir dizi operasyonel reaktör vardır. Daha eski gelişmeler (yani Magnox istasyonları) kapalıdır veya yakın gelecekte kapatılacaktır. Bununla birlikte, geliştirilmiş gaz soğutmalı reaktörlerin tahmini çalışma ömrü 10 ila 20 yıldır. Bu tip reaktörler termal nötron reaktörleridir. Bu tür reaktörlerin hizmetten çıkarılmasının parasal maliyetleri, çekirdeğin büyük hacmi nedeniyle yüksek olabilir.

Hızlı Besleyici Reaktör (LMFBR)

Bu reaktörün tasarımı, moderatörsüz sıvı metal ile soğutulur ve tükettiğinden daha fazla yakıt üretir. Nötron yakalama sırasında bölünebilir yakıt ürettikleri için yakıt "ürettikleri" söylenir. Bu tür reaktörler verimlilik açısından basınçlı su reaktörleri ile aynı işlevi görebilmektedir, artan basıncı kompanse etmeleri gerekmektedir çünkü çok yüksek sıcaklıklarda dahi aşırı basınç oluşturmayan sıvı metal kullanılmaktadır. SSCB'deki BN-350 ve BN-600 ve Fransa'daki Superphoenix, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Fermi I gibi bu tip reaktörlerdi. Japonya'daki Monju reaktörü, 1995 yılında bir sodyum sızıntısı nedeniyle hasar gördü ve Mayıs 2010'da yeniden faaliyete geçti. Bu reaktörlerin tümü sıvı sodyum kullanır/kullanılır. Bu reaktörler hızlı nötron reaktörleridir ve termal nötron reaktörlerine ait değildir. Bu reaktörler iki tiptir:

kurşun soğutmalı

Kurşunun sıvı metal olarak kullanılması, mükemmel radyasyon koruması sağlar ve çok yüksek sıcaklıklarda çalışmaya izin verir. Ayrıca kurşun (çoğunlukla) nötronlara karşı şeffaftır, bu nedenle soğutma sıvısında daha az nötron kaybolur ve soğutma sıvısı radyoaktif hale gelmez. Sodyumdan farklı olarak kurşun genellikle inerttir, bu nedenle patlama veya kaza riski daha azdır, ancak bu kadar büyük miktarlarda kurşun toksisiteye ve atık bertaraf sorunlarına neden olabilir. Genellikle kurşun-bizmut ötektik karışımları bu tip reaktörlerde kullanılabilir. Bu durumda bizmut, nötronlara tamamen şeffaf olmadığı ve kurşundan daha kolay başka bir izotopa dönüşebildiği için radyasyona küçük bir girişim oluşturacaktır. Rus Alfa sınıfı denizaltı, ana güç üretim sistemi olarak kurşun-bizmut soğutmalı hızlı nötron reaktörü kullanıyor.

sodyum soğutmalı

Çoğu sıvı metal yetiştirme reaktörü (LMFBR'ler) bu tiptedir. Sodyum nispeten elde edilmesi ve işlenmesi kolaydır ve aynı zamanda içine daldırılan reaktörün çeşitli parçalarının korozyonunu önlemeye yardımcı olur. Bununla birlikte, sodyum suyla temas ettiğinde şiddetli tepki verir, bu nedenle bu tür patlamalar, örneğin SCWR'lerden veya RWD'lerden aşırı ısınmış sıvı sızıntılarından çok daha güçlü olmasa da dikkatli olunmalıdır. EBR-I, çekirdeğin bir eriyikten oluştuğu bu tipteki ilk reaktördür.

Bilyalı Yataklı Reaktör (PBR)

Gazın bilyeler arasında dolaştırıldığı seramik toplara preslenmiş yakıt kullanırlar. Sonuç olarak, ucuz, standartlaştırılmış yakıtla verimli, gösterişsiz, çok güvenli reaktörlerdir. Prototip, AVR reaktörüydü.

Erimiş tuz reaktörleri

İçlerinde yakıt florür tuzlarında çözülür veya soğutucu olarak florürler kullanılır. Çeşitlendirilmiş güvenlik sistemleri, yüksek verimlilik ve yüksek enerji yoğunluğu araçlar için uygundur. Dikkat çekici bir şekilde, çekirdekte yüksek basınca maruz kalan parçalar veya yanıcı bileşenler yoktur. Prototip, toryum yakıt çevrimi de kullanan MSRE reaktörüydü. Bir besleme reaktörü olarak, kullanılmış yakıtı yeniden işleyerek hem uranyum hem de transuranyum elementlerini geri kazanır ve şu anda çalışmakta olan geleneksel tek geçişli uranyum hafif su reaktörlerine kıyasla yalnızca %0,1 transuranyum atığı bırakır. Ayrı bir konu, geri dönüştürülmeyen ve geleneksel reaktörlerde bertaraf edilmesi gereken radyoaktif fisyon ürünleridir.

Sulu Homojen Reaktör (AHR)

Bu reaktörler, suda çözünen ve bir soğutucu ve nötron moderatörü ile karıştırılan çözünür tuzlar formundaki yakıtı kullanır.

Yenilikçi nükleer sistemler ve projeler

gelişmiş reaktörler

Bir düzineden fazla gelişmiş reaktör projesi çeşitli geliştirme aşamalarındadır. Bunlardan bazıları RWD, BWR ve PHWR tasarımlarından geliştirilmiştir, bazıları ise daha önemli ölçüde farklılık gösterir. İlki, Gelişmiş Kaynar Su Reaktörü (ABWR) (ikisi şu anda çalışır durumda ve diğerleri yapım aşamasındadır) ile planlanan Ekonomik Basitleştirilmiş Pasif Güvenlik Kaynar Su Reaktörü (ESBWR) ve AP1000 kurulumlarını (aşağıya bakın) içerir. 2010).

Entegre hızlı nötron nükleer reaktörü(IFR) 1980'ler boyunca inşa edildi, test edildi ve test edildi, ardından Clinton yönetiminin nükleer silahların yayılmasını önleme politikaları nedeniyle 1990'larda istifa etmesinden sonra hizmet dışı bırakıldı. Kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesi, tasarımının merkezinde yer alır ve bu nedenle çalışan reaktörlerden kaynaklanan atığın yalnızca bir kısmını üretir.

Modüler yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktör reaktör (HTGCR), nötron ışınının kesitinin Doppler genişlemesi nedeniyle yüksek sıcaklıkların güç çıkışını azaltacağı şekilde tasarlanmıştır. Reaktör seramik tipte bir yakıt kullanır, bu nedenle güvenli çalışma sıcaklıkları değer kaybı sıcaklık aralığını aşar. Çoğu yapı inert helyum ile soğutulur. Helyum, buhar genleşmesi nedeniyle patlamaya neden olmaz, radyoaktiviteye yol açabilecek nötronları emmez ve radyoaktif olabilecek kirleticileri çözmez. Tipik tasarımlar, hafif su reaktörlerinden (tipik olarak 3) daha fazla pasif koruma katmanından (7'ye kadar) oluşur. Güvenliği sağlayabilecek benzersiz bir özellik, yakıt toplarının aslında çekirdeği oluşturması ve zamanla birer birer değiştirilmesidir. Yakıt hücrelerinin tasarım özellikleri, geri dönüşümlerini pahalı hale getirir.

Küçük, kapalı, hareketli, otonom reaktör (SSTAR) orijinal olarak ABD'de test edilmiş ve geliştirilmiştir. Reaktör, bir arızadan şüphelenilmesi durumunda uzaktan kapatılabilen pasif bir koruma sistemine sahip hızlı bir nötron reaktörü olarak tasarlandı.

Temiz ve çevre dostu gelişmiş reaktör (SEZAR) nötron moderatörü olarak buhar kullanan bir nükleer reaktör konseptidir - bu tasarım hala geliştirilme aşamasındadır.

Azaltılmış Su ile Yönetilen Reaktör, şu anda çalışmakta olan Gelişmiş Kaynar Su Reaktörüne (ABWR) dayanmaktadır. Bu tam hızlı bir nötron reaktörü değildir, ancak esas olarak termal ve hızlı arasında ara hızlara sahip olan epitermal nötronları kullanır.

Hidrojen Moderatörlü Kendi Kendini Düzenleyen Nükleer Güç Modülü (BGBM) yakıt olarak uranyum hidrit kullanan Los Alamos Ulusal Laboratuvarı tarafından piyasaya sürülen tasarım tipi bir reaktördür.

Kritik altı nükleer reaktörler daha güvenli ve daha kararlı çalışacak şekilde tasarlanmış, ancak mühendislik ve ekonomik açıdan zordur. Bir örnek, "Enerji Amplifikatörü"dür.

Toryum bazlı reaktörler. Bu amaç için özel olarak tasarlanmış reaktörlerde toryum-232'yi U-233'e dönüştürmek mümkündür. Bu sayede uranyumdan dört kat daha yaygın olan toryum, U-233 bazlı nükleer yakıt yapımında kullanılabilir. U-233'ün geleneksel U-235'e göre avantajlı nükleer özelliklere sahip olduğuna inanılıyor, özellikle en iyi oranlar nötronların yararlı kullanımı ve üretilen uzun ömürlü transuranyum atık miktarının azaltılması.

Gelişmiş Ağır Su Reaktörü (AHVR)- geliştirmeyi temsil edecek önerilen ağır su reaktörü gelecek nesil PHWR türü. Hindistan'daki Bhabha Nükleer Araştırma Merkezi'nde (BARC) geliştiriliyor.

KAMINI- yakıt olarak uranyum-233 izotopunu kullanan benzersiz bir reaktör. Hindistan'da BARC Araştırma Merkezi ve Indira Gandhi Nükleer Araştırma Merkezi'nde (IGCAR) inşa edildi.

Hindistan ayrıca toryum-uranyum-233 yakıt çevrimini kullanarak hızlı nötron reaktörleri inşa etmeyi planlıyor. FBTR (hızlı nötron reaktörü) (Kalpakkam, Hindistan), çalışma sırasında yakıt olarak plütonyum ve soğutucu olarak sıvı sodyum kullanır.

Dördüncü nesil reaktörler nelerdir?

Dördüncü nesil reaktörler, şu anda değerlendirilmekte olan bir dizi farklı teorik projedir. Bu projelerin 2030 yılına kadar hayata geçmesi muhtemel değildir. İşletmede olan modern reaktörlerin genellikle ikinci veya üçüncü nesil sistemler olduğu düşünülmektedir. Birinci nesil sistemler bir süredir kullanılmıyor. Bu dördüncü nesil reaktörlerin geliştirilmesi, sekiz teknoloji hedefi temelinde IV. Nesil Uluslararası Forum'da (GIF) resmi olarak başlatıldı. Ana hedefler, nükleer güvenliği iyileştirmek, yayılmaya karşı güvenliği artırmak, atıkları en aza indirmek ve doğal kaynakları kullanmak ve ayrıca bu tür istasyonların inşa ve işletme maliyetlerini azaltmaktı.

• Gaz soğutmalı hızlı nötron reaktörü
• Kurşun soğutuculu hızlı nötron reaktörü
• sıvı tuz reaktörü
• Sodyum soğutmalı hızlı nötron reaktörü
• Süper kritik su soğutmalı nükleer reaktör
• Ultra yüksek sıcaklıklı nükleer reaktör

Beşinci nesil reaktörler nelerdir?

Beşinci nesil reaktörler, teorik olarak uygulanması mümkün olan ancak şu anda aktif değerlendirme ve araştırma konusu olmayan projelerdir. Bu tür reaktörler mevcut veya kısa vadede inşa edilebilse de, ekonomik fizibilite, pratiklik veya güvenlik nedenleriyle çok az ilgi görüyor.

• sıvı faz reaktörü. Bölünebilir malzemenin erimiş uranyum veya tutma kabının tabanındaki deliklerden enjekte edilen çalışma gazı yardımıyla soğutulan bir uranyum çözeltisi formunda olduğu, bir nükleer reaktörün çekirdeğinde sıvı bulunan kapalı bir döngü.
• Çekirdekte gaz fazı bulunan reaktör. Bölünebilir malzemenin bir kuvars kapta bulunan gaz halindeki uranyum hekzaflorür olduğu nükleer enerjili bir roket için kapalı döngü bir varyant. Çalışma gazı (hidrojen gibi) bu kabın etrafında akacak ve nükleer reaksiyondan kaynaklanan ultraviyole radyasyonu emecektir. Böyle bir tasarım, Harry Harrison'ın 1976 bilim kurgu romanı Skyfall'da bahsedildiği gibi bir roket motoru olarak kullanılabilir. Teorik olarak, uranyum hekzaflorürün nükleer yakıt olarak kullanılması (şu anda yapıldığı gibi bir ara madde yerine) daha düşük enerji üretim maliyetlerine yol açacak ve reaktörlerin boyutunu önemli ölçüde azaltacaktır. Uygulamada, bu kadar yüksek güç yoğunluklarında çalışan bir reaktör, kontrolsüz bir nötron akışı üreterek, reaktör malzemelerinin çoğunun mukavemet özelliklerini zayıflatır. Böylece akış, termonükleer tesislerde salınan parçacıkların akışına benzer olacaktır. Buna karşılık, bu, Uluslararası Füzyon Işınlama Tesisi Uygulama Projesi tarafından kullanılanlara benzer malzemelerin kullanılmasını gerektirecektir.
• Gaz fazlı elektromanyetik reaktör. Gaz fazı reaktörüne benzer, ancak ultraviyole ışığı doğrudan elektriğe dönüştüren fotovoltaik hücrelere sahiptir.
• Parçalanma tabanlı reaktör
• Hibrit nükleer füzyon. Orijinalin veya "üreme bölgesindeki maddenin" füzyonu ve bozunması sırasında yayılan nötronlar kullanılır. Örneğin, başka bir reaktörden gelen U-238, Th-232 veya kullanılmış yakıt/radyoaktif atığın nispeten daha iyi huylu izotoplara dönüştürülmesi.

Aktif bölgede bir gaz fazına sahip reaktör. Bölünebilir malzemenin bir kuvars kapta bulunan gaz halindeki uranyum hekzaflorür olduğu nükleer enerjili bir roket için kapalı döngü bir varyant. Çalışma gazı (hidrojen gibi) bu kabın etrafında akacak ve nükleer reaksiyondan kaynaklanan ultraviyole radyasyonu emecektir. Böyle bir tasarım, Harry Harrison'ın 1976 bilim kurgu romanı Skyfall'da bahsedildiği gibi bir roket motoru olarak kullanılabilir. Teorik olarak, uranyum hekzaflorürün nükleer yakıt olarak kullanılması (şu anda yapıldığı gibi bir ara madde yerine) daha düşük enerji üretim maliyetlerine yol açacak ve reaktörlerin boyutunu önemli ölçüde azaltacaktır. Uygulamada, bu kadar yüksek güç yoğunluklarında çalışan bir reaktör, kontrolsüz bir nötron akışı üreterek, reaktör malzemelerinin çoğunun mukavemet özelliklerini zayıflatır. Böylece akış, termonükleer tesislerde salınan parçacıkların akışına benzer olacaktır. Buna karşılık, bu, Uluslararası Füzyon Işınlama Tesisi Uygulama Projesi tarafından kullanılanlara benzer malzemelerin kullanılmasını gerektirecektir.

Gaz fazlı elektromanyetik reaktör. Gaz fazı reaktörüne benzer, ancak ultraviyole ışığı doğrudan elektriğe dönüştüren fotovoltaik hücrelere sahiptir.

Parçalanma tabanlı reaktör

Hibrit nükleer füzyon. Orijinalin veya "üreme bölgesindeki maddenin" füzyonu ve bozunması sırasında yayılan nötronlar kullanılır. Örneğin, başka bir reaktörden gelen U-238, Th-232 veya kullanılmış yakıt/radyoaktif atığın nispeten daha iyi huylu izotoplara dönüştürülmesi.

Füzyon reaktörleri

Kontrollü füzyon, aktinitlerle çalışmanın karmaşıklığı olmadan elektrik üretmek için füzyon enerji santrallerinde kullanılabilir. Ancak, ciddi bilimsel ve teknolojik engeller devam etmektedir. Birkaç füzyon reaktörü inşa edildi, ancak ancak son zamanlarda reaktörler tükettiklerinden daha fazla enerji açığa çıkarabildiler. Araştırmaların 1950'lerde başlamasına rağmen, ticari bir füzyon reaktörünün 2050'ye kadar faaliyete geçemeyeceği varsayılıyor. ITER projesi şu anda füzyon enerjisini kullanmak için çaba sarf ediyor.

nükleer yakıt döngüsü

Termal reaktörler genellikle uranyumun saflaştırma ve zenginleştirme derecesine bağlıdır. Bazı nükleer reaktörler bir plütonyum ve uranyum karışımı ile çalışabilir (bkz. MOX yakıtı). Uranyum cevherinin çıkarıldığı, işlendiği, zenginleştirildiği, kullanıldığı, muhtemelen geri dönüştürüldüğü ve bertaraf edildiği süreç, nükleer yakıt çevrimi olarak bilinir.

Doğadaki uranyumun %1 kadarı kolayca bölünebilen U-235 izotopudur. Bu nedenle, çoğu reaktörün tasarımı zenginleştirilmiş yakıt kullanımını içerir. Zenginleştirme, U-235 oranının arttırılmasını içerir ve genellikle gazlı difüzyon veya gaz santrifüjü kullanılarak gerçekleştirilir. Zenginleştirilmiş ürün ayrıca, sıkıştırılan ve topak haline getirilen uranyum dioksit tozuna dönüştürülür. Bu granüller, daha sonra kapatılan tüplere yerleştirilir. Bu tür tüplere yakıt çubukları denir. Her nükleer reaktör bu yakıt çubuklarının çoğunu kullanır.

Çoğu ticari BWR ve PWR, yaklaşık olarak %4 U-235'e kadar zenginleştirilmiş uranyum kullanır. Ayrıca yüksek nötron ekonomisine sahip bazı endüstriyel reaktörler zenginleştirilmiş yakıta hiç ihtiyaç duymazlar (yani doğal uranyum kullanabilirler). Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı'na göre, dünyada yüksek düzeyde zenginleştirilmiş yakıt (silah sınıfı / %90 zenginleştirilmiş uranyum) kullanan en az 100 araştırma reaktörü bulunmaktadır. Bu tür yakıtın çalınma riski (nükleer silahların üretiminde kullanılması mümkündür), düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyum içeren (daha az yayılma tehdidi oluşturan) reaktörlerin kullanımına geçiş çağrısında bulunan bir kampanyaya yol açmıştır.

Nükleer dönüşüm sürecinde bölünebilir U-235 ve bölünemez, bölünebilir U-238 kullanılır. U-235, termal (yani yavaş hareket eden) nötronlar tarafından bölünür. Bir termal nötron, etrafındaki atomlarla yaklaşık olarak aynı hızda hareket eden bir nötrondur. Atomların titreşim frekansı mutlak sıcaklıklarıyla orantılı olduğundan, termal nötron aynı titreşim hızında hareket ederken U-235'i bölme konusunda daha büyük bir yeteneğe sahiptir. Öte yandan, nötron çok hızlı hareket ediyorsa, U-238'in bir nötron yakalama olasılığı daha yüksektir. U-239 atomu, kendisi de bir yakıt olan plütonyum-239'u oluşturmak için olabildiğince çabuk bozunur. Pu-239 eksiksiz bir yakıttır ve yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum yakıtı kullanırken bile dikkate alınmalıdır. Plütonyum fisyon süreçleri, bazı reaktörlerde U-235 fisyon süreçlerinden öncelikli olacaktır. Özellikle orijinal yüklü U-235 bittikten sonra. Hem hızlı hem de termal reaktörlerde plütonyum fisyonları, onu hem nükleer reaktörler hem de nükleer bombalar için ideal hale getirir.

Mevcut reaktörlerin çoğu, tipik olarak suyu bir nötron moderatörü (moderatör, bir nötronu termal hıza yavaşlattığı anlamına gelir) ve ayrıca bir soğutucu olarak kullanan termal reaktörlerdir. Bununla birlikte, hızlı bir nötron reaktöründe, nötron akışını çok fazla yavaşlatmayacak, biraz farklı türde bir soğutucu kullanılır. Bu, yakıt beslemesini sürekli olarak yenilemek için etkili bir şekilde kullanılabilen hızlı nötronların baskın olmasına izin verir. Çekirdeğe basitçe ucuz, zenginleştirilmemiş uranyum yerleştirerek, kendiliğinden bölünemeyen U-238, yakıtı "yeniden üreterek" Pu-239'a dönüşecektir.

Toryum bazlı bir yakıt çevriminde, toryum-232 hem hızlı hem de termal reaktörlerde bir nötronu emer. Toryumun beta bozunması protaktinyum-233'ü ve ardından yakıt olarak kullanılan uranyum-233'ü üretir. Bu nedenle uranyum-238 gibi toryum-232 de verimli bir malzemedir.

Nükleer reaktörlerin bakımı

Bir nükleer yakıt tankındaki enerji miktarı genellikle, reaktörün termal enerji üretmek için tam güçle çalıştırıldığı 24 saatlik dönemlerin (günlerin) sayısı olan "tam güç günleri" cinsinden ifade edilir. Bir reaktör çalışma döngüsünde tam güçte çalışma günleri (yakıt ikmali için gereken aralıklar arasında), döngünün başlangıcında yakıt düzeneklerinde bulunan bozunan uranyum-235 (U-235) miktarıyla ilişkilidir. Döngünün başlangıcında çekirdekteki U-235 yüzdesi ne kadar yüksek olursa, reaktörün o kadar çok tam güçte çalışması izin verecektir.

Çalışma döngüsünün sonunda, bazı tertibatlardaki yakıt "tükenir", boşaltılır ve yeni (taze) yakıt tertibatları şeklinde değiştirilir. Ayrıca, bozunma ürünlerinin nükleer yakıtta birikmesinin böyle bir reaksiyonu, nükleer yakıtın reaktördeki hizmet ömrünü belirler. Nihai fisyon işlemi gerçekleşmeden çok önce bile, uzun ömürlü nötron soğuran bozunma yan ürünleri reaktörde birikmek için zamana sahiptir ve bu da zincirleme reaksiyonun ilerlemesini engeller. Yakıt ikmali sırasında değiştirilen reaktör çekirdeğinin oranı, kaynar su reaktörü için tipik olarak dörtte bir ve basınçlı su reaktörü için üçte birdir. Bu kullanılmış yakıtın bertarafı ve depolanması, endüstriyel bir nükleer santralin işletilmesinin organizasyonundaki en zor görevlerden biridir. Bu tür nükleer atıklar son derece radyoaktiftir ve toksisitesi binlerce yıldır bir tehlike olmuştur.

Yakıt ikmali için tüm reaktörlerin hizmet dışı bırakılması gerekmez; örneğin çakıl yataklı nükleer reaktörler, RBMK reaktörleri (yüksek güçlü kanal reaktörü), erimiş tuz reaktörleri, Magnox, AGR ve CANDU reaktörleri, santralin çalışması sırasında yakıt elemanlarının hareket ettirilmesine olanak sağlar. CANDU reaktöründe, yakıt elemanındaki U-235 içeriğini ayarlayacak şekilde çekirdeğe ayrı yakıt elemanları yerleştirmek mümkündür.

Nükleer yakıttan çıkarılan enerji miktarı, yakıtın ilk birim ağırlığı tarafından üretilen termal enerji cinsinden ifade edilen yanma olarak adlandırılır. Tükenme genellikle orijinal ağır metalin tonu başına termal megavat gün olarak ifade edilir.

nükleer güç güvenliği

Nükleer güvenlik, nükleer ve radyasyon kazalarını önlemeyi veya sonuçlarını yerelleştirmeyi amaçlayan eylemlerdir. Nükleer enerji endüstrisi, reaktörlerin güvenliğini ve performansını iyileştirdi ve ayrıca (genellikle test edilmemiş) yeni, daha güvenli reaktör tasarımları geliştirdi. Ancak, bu tür reaktörlerin güvenilir bir şekilde tasarlanacağı, inşa edileceği ve işletilebileceği konusunda bir garanti yoktur. Japonya'daki Fukushima nükleer santralindeki reaktör tasarımcıları, NRG'den (Ulusal Araştırma Grubu) gelen çok sayıda uyarıya rağmen, depremin oluşturduğu tsunaminin, depremden sonra reaktörü stabilize etmesi gereken yedek sistemi kapatmasını beklemediklerinde ortaya çıkıyor. ve Japon yönetimi nükleer güvenlik konusunda. UBS AG'ye göre, Fukuşima I nükleer kazaları, Japonya gibi gelişmiş ekonomilerin bile nükleer güvenliği sağlayıp sağlayamayacağı konusunda şüphe uyandırıyor. Terörist saldırılar da dahil olmak üzere felaket senaryoları da mümkündür. MIT'den (Massachusetts Institute of Technology) disiplinler arası bir ekip, nükleer enerjide beklenen büyüme göz önüne alındığında, 2005-2055 döneminde en az dört ciddi nükleer kazanın beklenmesi gerektiğini hesapladı.

Nükleer ve radyasyon kazaları

Meydana gelen ciddi nükleer ve radyasyon kazalarından bazıları. Nükleer santral kazaları arasında SL-1 olayı (1961), Three Mile Island kazası (1979), Çernobil felaketi (1986) ve Fukushima Daiichi nükleer felaketi (2011) yer alır. Nükleer enerjiyle çalışan kazalar, K-19 (1961), K-27 (1968) ve K-431'deki (1985) reaktör kazalarını içerir.

Nükleer reaktörler Dünya'nın yörüngesine en az 34 kez fırlatıldı. Sovyet nükleer enerjili insansız uydu RORSAT'ı içeren bir dizi olay, kullanılmış nükleer yakıtın yörüngeden Dünya atmosferine girmesine yol açtı.

doğal nükleer reaktörler

Genellikle nükleer fisyon reaktörlerinin ürünü olduğuna inanılsa da modern teknoloji, ilk nükleer reaktörler mevcuttur doğal şartlar. Doğal bir nükleer reaktör, tasarlanmış bir reaktördeki koşulları taklit eden belirli koşullar altında oluşturulabilir. Şimdiye kadar, Gabon'daki Oklo uranyum madeninin üç ayrı cevher yatağında on beşe kadar doğal nükleer reaktör keşfedildi ( Batı Afrika). Tanınmış "ölü" Ocllo reaktörleri ilk olarak 1972'de Fransız fizikçi Francis Perrin tarafından keşfedildi. Bu reaktörlerde yaklaşık 1,5 milyar yıl önce kendi kendini idame ettiren bir nükleer fisyon reaksiyonu meydana geldi ve birkaç yüz bin yıl boyunca devam etti ve bu süre zarfında ortalama 100 kW güç çıkışı sağladı. Doğal bir nükleer reaktör kavramı, 1956 gibi erken bir tarihte Arkansas Üniversitesi'nde Paul Kuroda tarafından teorik olarak açıklandı.

Bu tür reaktörler artık Dünya'da oluşturulamıyor: Bu muazzam zaman süresi boyunca radyoaktif bozunma, doğal uranyumdaki U-235 oranını bir zincirleme reaksiyonu sürdürmek için gereken seviyenin altına düşürdü.

Doğal nükleer reaktörler, zengin uranyum mineral yatakları, bir nötron moderatörü görevi gören ve önemli bir zincirleme reaksiyon başlatan yeraltı suyuyla dolmaya başladığında oluştu. Su formundaki nötron moderatörü buharlaşarak reaksiyonun hızlanmasına ve ardından tekrar yoğunlaşarak nükleer reaksiyonun yavaşlamasına ve erimenin önlenmesine neden oldu. Fisyon reaksiyonu yüzbinlerce yıl devam etti.

Bu tür doğal reaktörler, radyoaktif atıkların jeolojik bir ortamda bertaraf edilmesiyle ilgilenen bilim adamları tarafından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Radyoaktif izotopların yer kabuğundan nasıl göç edeceğine dair bir vaka çalışması öneriyorlar. Bu, atığın içerdiği izotopların su kaynaklarına karışabileceğinden veya çevreye karışabileceğinden korkan, atığın jeolojik olarak bertaraf edilmesini eleştirenler için önemli bir noktadır.

Nükleer enerjinin çevre sorunları

Bir nükleer reaktör havaya ve yer altı sularına az miktarda trityum, Sr-90 salar. Trityum ile kirlenmiş su renksiz ve kokusuzdur. Yüksek dozlarda Sr-90, hayvanlarda ve muhtemelen insanlarda kemik kanseri ve lösemi riskini artırır.