Tuumareaktori seade ja tööpõhimõte põhinevad isemajanduva tuumareaktsiooni käivitamisel ja juhtimisel. Seda kasutatakse uurimisvahendina, radioaktiivsete isotoopide tootmiseks ja tuumaelektrijaamade toiteallikana.
Tuumareaktor: kuidas see töötab (lühid alt)
Siin kasutatakse tuuma lõhustumise protsessi, mille käigus raske tuum laguneb kaheks väiksemaks killuks. Need fragmendid on väga ergastatud olekus ja kiirgavad neutroneid, muid subatomaarseid osakesi ja footoneid. Neutronid võivad põhjustada uusi lõhustumisi, mille tulemusena eraldub rohkem neutroneid jne. Sellist pidevat isemajandavat lõhede jada nimetatakse ahelreaktsiooniks. Samal ajal vabaneb suur hulk energiat, mille tootmine on tuumajaamade kasutamise eesmärk.
Tuumareaktori ja tuumajaama tööpõhimõte on selline, et umbes 85% lõhustumise energiast vabaneb väga lühikese aja jooksul pärast reaktsiooni algust. Ülejäänud toodetakse aastallõhustumisproduktide radioaktiivse lagunemise tulemus pärast neutronite emiteerimist. Radioaktiivne lagunemine on protsess, mille käigus aatom jõuab stabiilsemasse olekusse. See jätkub ka pärast jagamise lõpetamist.
Aatomipommis suureneb ahelreaktsiooni intensiivsus, kuni suurem osa materjalist lõheneb. See juhtub väga kiiresti, tekitades sellistele pommidele omased ülivõimsad plahvatused. Tuumareaktori seade ja tööpõhimõte põhinevad ahelreaktsiooni hoidmisel kontrollitud, peaaegu konstantsel tasemel. See on konstrueeritud nii, et see ei saaks plahvatada nagu aatomipomm.
Ahelreaktsioon ja kriitilisus
Tuuma lõhustumise reaktori füüsika seisneb selles, et ahelreaktsiooni määrab tuuma lõhustumise tõenäosus pärast neutronite emissiooni. Kui viimaste populatsioon väheneb, langeb lõhustumise kiirus lõpuks nullini. Sel juhul on reaktor alakriitilises olekus. Kui neutronite populatsioon hoitakse konstantsel tasemel, jääb lõhustumise kiirus stabiilseks. Reaktor on kriitilises seisukorras. Ja lõpuks, kui neutronite populatsioon aja jooksul kasvab, suureneb lõhustumise kiirus ja võimsus. Tuum muutub ülekriitiliseks.
Tuumareaktori tööpõhimõte on järgmine. Enne selle käivitamist on neutronite populatsioon nullilähedane. Seejärel eemaldavad operaatorid juhtvardad südamikust, suurendades tuuma lõhustumist, mis ajutiselt transleerubreaktor ülekriitilisse olekusse. Pärast nimivõimsuse saavutamist tagastavad operaatorid juhtvardad osaliselt, reguleerides neutronite arvu. Tulevikus hoitakse reaktorit kriitilises olekus. Kui see tuleb peatada, sisestavad operaatorid vardad täielikult. See pärsib lõhustumist ja viib tuuma alakriitilisse olekusse.
Reaktorite tüübid
Enamik maailma tuumarajatistest toodab energiat, mis toodab elektrigeneraatoreid käitavate turbiinide pööramiseks vajalikku soojust. Samuti on palju uurimisreaktoreid ja mõnes riigis on tuumajõul töötavad allveelaevad või pinnalaevad.
Elektrijaamad
Seda tüüpi reaktoreid on mitut tüüpi, kuid kerge vee disain on leidnud laialdast rakendust. See omakorda võib kasutada survevett või keevat vett. Esimesel juhul kuumutatakse kõrgsurve all olevat vedelikku südamiku soojuse toimel ja see siseneb aurugeneraatorisse. Seal kandub primaarringi soojus sekundaarahelasse, mis sisaldab ka vett. Lõpuks tekkiv aur toimib auruturbiini tsüklis töövedelikuna.
Keev-tüüpi reaktor töötab otsese energiatsükli põhimõttel. Aktiivset tsooni läbiv vesi keedetakse keskmise rõhutasemega. Küllastunud aur läbib rea reaktorianumas asuvaid separaatoreid ja kuivateid, mis viib selleülekuumenenud olek. Ülekuumutatud veeauru kasutatakse seejärel töövedelikuna turbiini pööramiseks.
Kõrge temperatuuriga gaasijahutusega
High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) on tuumareaktor, mille tööpõhimõte põhineb grafiidi ja kütuse mikrosfääride segu kasutamisel kütusena. Võistlevaid kujundusi on kaks:
- Saksa "täiteaine" süsteem, mis kasutab 60 mm läbimõõduga sfäärilisi kütuseelemente, mis on grafiidi ja kütuse segu grafiidist kestas;
- Ameerika versioon grafiidist kuusnurksete prismade kujul, mis blokeeruvad ja moodustavad aktiivse tsooni.
Mõlemal juhul koosneb jahutusvedelik heeliumist, mille rõhk on umbes 100 atmosfääri. Saksa süsteemis läbib heelium sfääriliste kütuseelementide kihis olevaid lünki ja Ameerika süsteemis läbi reaktori kesktsooni teljega asuvate grafiitprismade aukude. Mõlemad variandid võivad töötada väga kõrgetel temperatuuridel, kuna grafiidil on ülikõrge sublimatsioonitemperatuur, samas kui heelium on keemiliselt täiesti inertne. Kuuma heeliumi saab kasutada otse töövedelikuna kõrgel temperatuuril gaasiturbiinis või selle soojust saab kasutada veetsükli auru tekitamiseks.
Vedelmetallist tuumareaktor: skeem ja tööpõhimõte
Naatriumjahutusvedelikuga kiirneutronreaktorid said 1960. ja 1970. aastatel palju tähelepanu. Siistundus, et nende võime lähitulevikus tuumakütust taastoota on vajalik kiiresti areneva tuumatööstuse kütuse tootmiseks. Kui 1980. aastatel sai selgeks, et see ootus on ebareaalne, kadus entusiasm. Seda tüüpi reaktoreid on aga ehitatud mitmeid USA-s, Venemaal, Prantsusmaal, Suurbritannias, Jaapanis ja Saksamaal. Enamik neist töötab uraandioksiidil või selle segul plutooniumdioksiidiga. USA-s on aga suurimat edu saavutanud metallkütused.
CANDU
Kanada on keskendunud looduslikku uraani kasutavatele reaktoritele. See välistab vajaduse selle rikastamiseks kasutada teiste riikide teenuseid. Selle poliitika tulemuseks oli deuteerium-uraani reaktor (CANDU). Juhtimine ja jahutamine selles toimub raske veega. Tuumareaktori seade ja tööpõhimõte on kasutada atmosfäärirõhul külma D2O paaki. Südamiku läbistavad tsirkooniumisulamist ja loodusliku uraani kütusega valmistatud torud, mille kaudu raske vesi seda jahutab. Elektrit toodetakse raskes vees tekkiva lõhustumissoojuse ülekandmisel jahutusvedelikku, mis ringleb läbi aurugeneraatori. Seejärel läbib sekundaarringi aur turbiini normaalset tsüklit.
Uurimispaigaldised
Teadusuuringuteks kasutatakse kõige sagedamini tuumareaktorit, mille põhimõte on kasutada vesijahutust jalamell-uraani kütuseelemendid sõlmede kujul. Võimeline töötama paljudel võimsustasemetel, alates mõnest kilovatist kuni sadade megavatideni. Kuna elektritootmine ei ole teadusreaktorite põhiülesanne, siis iseloomustab neid südamikus tekkiv soojusenergia, tihedus ja neutronite nimienergia. Just need parameetrid aitavad kvantifitseerida uurimisreaktori võimet läbi viia konkreetseid uuringuid. Madala energiatarbega süsteeme kasutatakse tavaliselt ülikoolides õpetamise eesmärgil, samas kui suure võimsusega süsteeme on vaja teadus- ja arenduslaborites materjalide ja jõudluse testimiseks ning ülduuringuteks.
Levinud teadusuuringute tuumareaktor, mille ehitus ja tööpõhimõte on järgmised. Selle aktiivne tsoon asub suure sügava veebasseini põhjas. See lihtsustab nende kanalite vaatlemist ja paigutamist, mille kaudu saab neutronkiire suunata. Madala võimsuse korral ei ole vaja jahutusvedelikku välja lasta, kuna jahutusvedeliku loomulik konvektsioon tagab piisava soojuse hajumise, et säilitada ohutu töötingimus. Soojusvaheti asub tavaliselt basseini pinnal või ülaosas, kuhu koguneb kuum vesi.
Laevapaigaldised
Tuumareaktorite algne ja peamine kasutusala on allveelaevades. Nende peamine eelis onet erinev alt fossiilkütuste põletussüsteemidest ei vaja need elektri tootmiseks õhku. Seetõttu võib tuumaallveelaev jääda vee alla pikaks ajaks, samas kui tavaline diisel-elektriline allveelaev peab perioodiliselt pinnale tõusma, et mootorid õhus käivitada. Tuumaenergia annab mereväe laevadele strateegilise eelise. See välistab vajaduse tankida kütust välismaistes sadamates või haavatavatelt tankeritelt.
Tuumareaktori tööpõhimõte allveelaeval on salastatud. Küll aga on teada, et USA-s kasutab see kõrgelt rikastatud uraani ning aeglustamist ja jahutamist teeb kerge vesi. Tuumaallveelaeva USS Nautilus esimese reaktori konstruktsiooni mõjutasid tugev alt võimsad uurimisrajatised. Selle ainulaadseteks omadusteks on väga suur reaktiivsusvaru, mis tagab pika tööperioodi ilma tankimiseta ja võimaluse pärast seiskamist taaskäivitada. Avastamise vältimiseks peab allveelaevude elektrijaam olema väga vaikne. Erinevate allveelaevade klasside spetsiifiliste vajaduste rahuldamiseks loodi erinevad elektrijaamade mudelid.
USA mereväe lennukikandjad kasutavad tuumareaktorit, mille põhimõte on arvatavasti laenatud suurimatelt allveelaevadelt. Nende kujunduse üksikasju pole samuti avaldatud.
Lisaks USA-le on tuumaallveelaevad Ühendkuningriigil, Prantsusmaal, Venemaal, Hiinal ja Indial. Igal juhul disaini ei avalikustatud, kuid arvatakse, et need on kõik väga sarnased - seeon nende tehnilistele omadustele esitatavate samade nõuete tagajärg. Venemaal on ka väike tuumajõul töötavate jäämurdjate laevastik, millel on samad reaktorid kui Nõukogude allveelaevadel.
Tööstuspaigaldised
Relvakvaliteediga plutoonium-239 tootmiseks kasutatakse tuumareaktorit, mille põhimõte on kõrge tootlikkus ja madal energiatootmise tase. See on tingitud asjaolust, et plutooniumi pikaajaline viibimine tuumas põhjustab soovimatute 240Pu.
Tritiumi tootmine
Praegu on selliste süsteemide peamine materjal triitium (3H või T), vesinikupommide laeng. Plutoonium-239 poolestusaeg on pikk, 24 100 aastat, seega on seda elementi kasutavates tuumarelvaarsenalides riikides seda tavaliselt rohkem kui vaja. Erinev alt 239Pu-st on triitiumi poolväärtusaeg ligikaudu 12 aastat. Seega tuleb vajalike varude säilitamiseks seda vesiniku radioaktiivset isotoopi pidev alt toota. Näiteks USA-s on Lõuna-Carolinas Savannah Riveris mitu raskeveereaktorit, mis toodavad triitiumi.
Ujuvad jõuallikad
Loodud on tuumareaktorid, mis suudavad pakkuda elektrit ja aurukütet kaugematele eraldatud aladele. Näiteks Venemaal on rakendus leidnudväikesed elektrijaamad, mis on spetsiaalselt loodud teenindama Arktika kogukondi. Hiinas varustab 10 MW HTR-10 jaam soojuse ja elektriga uurimisinstituuti, kus see asub. Sarnase võimekusega väikeseid juhitavaid reaktoreid arendatakse Rootsis ja Kanadas. Aastatel 1960–1972 kasutas USA armee Gröönimaa ja Antarktika kaugemate baaside toiteks kompaktseid veereaktoreid. Need on asendatud õliküttel töötavate elektrijaamadega.
Kosmoseuuringud
Lisaks on välja töötatud reaktorid toiteallikaks ja kosmoses liikumiseks. Aastatel 1967–1988 paigaldas Nõukogude Liit Kosmose satelliitidele väikesed tuumarajatised seadmete ja telemeetria toiteks, kuid see poliitika sai kriitika sihtmärgiks. Vähem alt üks neist satelliitidest sisenes Maa atmosfääri, põhjustades Kanada kaugemate piirkondade radioaktiivse saastumise. USA saatis 1965. aastal õhku ainult ühe tuumajõul töötava satelliidi. Siiski arendatakse jätkuv alt projekte nende kasutamiseks süvakosmoselendudel, teiste planeetide mehitatud uurimisel või alalisel Kuu baasil. See on tingimata gaasjahutusega või vedelmetallist tuumareaktor, mille füüsikalised põhimõtted tagavad kõrgeima võimaliku temperatuuri, mis on vajalik radiaatori suuruse minimeerimiseks. Lisaks peaks kosmosereaktor olema võimalikult kompaktne, et minimeerida kasutatava materjali kogustvarjestus ning kaalu vähendamiseks stardi ja kosmoselennu ajal. Kütusereserv tagab reaktori töö kogu kosmoselennu ajaks.
