Nükleer reaktörler, her zaman mühendis olan en sofistike enerji sistemlerinden biridir ve bu makale, atomik çekirdeklerde sürekli elektrik enerjisi tedarikine kilitlenen bilimsel ilkeleri incelerken, sık sık sık onları yüksek profilli kazalar veya egzotik teknoloji ile ilişkilendirir, temel ilkeleri iyi düşünülmüş bir şekilde, reaktörlerin nasıl işlediğini ve bu makinelerin güvenli bir şekilde nasıl işlediğini ve neden güvenli bir şekilde işletilebileceğini inceler.

Nükleer Fission'ın keşfi

1938 yılında Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strasmann iki küçük çekirdekle bombaladı ve beklenmedik bir şekilde, fizikçiler ile işbirliği yapan Cozyos, birkaç yıl içinde, bilim adamları iki nükleer silah ve güç kaynağı için bir zincirleme gerçekleştirebileceğini fark ettiler.

Fission Fiziği

Binding Enerji ve Nükleer Kuvvet

Atomik çekirdekler güçlü nükleer güç tarafından birlikte yapılır, bu da ürünlerin elektrostatik rekatını olumlu şarj protonları arasındaki karşılamaktadır. nükleondaki bağlayıcı enerji atomik kütle ile değişir; çok ağır bir nükleus (ortalama gibi) iki orta büyüklükteki çekirdeklere bölünür, ürünlerin toplam bağlayıcı enerjisi orijinal çekirdeğinden daha fazladır.

Prodüksiyona göre:0)semi-empirical kütle formülü[Dönetici: 1), en istikrarlı çekirdekler demir-56'ya yakın yalan söylüyor; demirden daha ağır elementler yavaş (termal) nötronlar tarafından enerji elde ettiğinden daha yüksek olur.

Neutron yakalama ve Fission Ürünler

Bir termal nötron bir uranyum-235 çekirdeği tarafından absorbe edildiğinde, iki veya üç hızlı nötron ile birlikte, neredeyse anında bölünmüş olan bir enerji ve radyasyonu ortaya çıkarır. Ürünlerin kitleleri genellikle kriptopton-92 ve barium-141 gibi, iki veya üç hızlı nötron ile birlikte, bu parçalar yüksek derecede dengesiz ve beta çürükür, birkaç adımdan sonra, stabil enerji ve radyasyona dönüşür.

Zincir Reaksiyonu ve Kritikliği

Sürekli bir güç kaynağı oluşturmak için, bir fissiontan gelen nötronlar, komşu nükleler içinde daha fazla fisiyonlar teşvik etmelidir.Bir reaktör için sürekli güçte çalışmak için, her bir fission olayından tam olarak bir tane nötron (birkaça kadar) çıkmalıdır.[Dönemli:0)Kendi kendini aydınlatıcı zincir reaksiyonu[Dönetici:0)

  • [FONT:0]k[DÜT:1][/FONT= 1)[[değiştir | kaynağı değiştir)
  • [FONT:0]k[DÜT:1][/FONT][/TRNT=2)[[0]
  • [FONT:0]k[DÜT:1][/FONT][/FONT][/FONT=0)[[0]

Bir reaktörde, kontrol sistemleri, soğutmalı zehirlerin toplanmasına göre ayarlanır ve fission tarafından üretilen hızlı nötronlar, yüksek çözünürlükte 2,4 km daha yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunur.

Nükleer Bir Reaktörünün Anahtarları

Ana, zincir reaksiyonu için tüm temel unsurları içeren reaktörün kalbidir. Her bir bileşen belirli bir rol oynar ve tasarım ısı transferini, nötron ekonomisini ve güvenliğini dengelemelidir.

Yakıt Rods

Yakıt genellikle seramik granüller şeklindedir (uranium dioksit, UO[D:0)) uzun zirkonyum alaşım tüpleri içinde yığılır ve bu yakıt çubuklarının yarısına kadar zenginleşirken, bu yakıt kollarını da eklenir (anti-% 3-5% uranyum% 0.7 U-235).

Moderator

Moderatör, hızlı nötronların kinetik enerjisini elastik çarpışmalar yoluyla azaltır. İdeal moderatör düşük atomik bir kütleye sahiptir (so nötronlar çarpışma başına daha fazla enerji kaybeder) ve düşük bir absorpsiyon kesiti içerir. Ortak moderatorlar sıradan (Blight) su, ağır su (DDDüşütme) , ancak zenginleştirici bir su pompasına sahiptir.

Rodss

Kontrol çubukları yüksek nötron-abpsiyon kesitleri ile malzemelerden yapılır, örneğin boron-10 (topraklı maküla, B)4[Döneticiler, çek çubuklar, yüksek nötronlar veya hafnium) hızlı bir şekilde kapatılabilirler, kontrol çubuğu ekleme derinliğini ayarlayarak, operatörler reaktör gücü iyileştirebilirler.

Coolant

Coolant, ısıyı fission tarafından çıkarmak için temelden dolaşıma girer. Çoğu güç reaktöründe, buhar üretimi için çalışan sıvıya hizmet eder. Ortak serinler ışık suyu (hem PWR ve BWR), ağır su (CANDU), sıvı (hızlı reaktörler), ve helium (yüksek sıcaklık gaz reaktörleri)

Yapısal malzemeler ve Yanor

Ana varilleri, ızgara plakaları ve destek sütunları gibi yapısal bileşenlerle birlikte yapılır, tüm yüksek sıcaklıklara ve yoğun nötron bombacısına dayanabilmek için tasarlanmıştır. AİLFLT:0)neutron reflektör[Döntme: su veya grafik), nötronları yakıta geri atmak için temeli çevreler, nötron ekonomisini geliştirmek ve gerekli yakıt miktarını azaltmak için.

Moderator Tipleri ve Nasıl Reaktör Tasarımlarını Şekilliyorlar

moderatörü seçimi, nükleer reaktör için en önemli tasarım kararlarından biridir.

  • [FONT:0]Işık su (H2O))[FONTs ve BWRs'te kullanılır, en yaygın reaktör türleri dünya çapındadır. Işık suyu yavaş yavaştır, ancak zenginleştirilmiş yakıt gerektirir (3-5% U-235).
  • [D2O) [D2O) : CANDU ve diğer PHWRs'te bulunan Deuterium, hidrojenden çok daha düşük bir absorpsiyon kesitine sahiptir, bu yüzden doğal uranyum (0,7 U-235) zenginleştirme ihtiyacını ortadan kaldırır.
  • [FONT:0) Grafit[Dönetici]: RBMK reaktörlerinde kullanılan, AGRs ve daha önceki Magnox tasarımları. Graphite, yüksek sıcaklıklarla sağlam bir moderatörüdür ve doğal veya düşük zenginleştirilmiş uranyum kullanımına izin verir. ancak, grafik depoları Wigner enerji (accumated lattice kusurları) ve havada oksitleyici ve dikkatli bir yönetim gerektiren.

Heat Transfer ve Güç Dönüşümü

Fission ısı, yakıtın sıcaklığını, tonların merkezinde 1000 °C'ye yükseltmektedir. Bu ısı, erkanlığın önlenmesi ve yararlı güç üretmesi için sürekli olarak ortadan kaldırılmalıdır.Rektörler genellikle iki veya üç döngü serin kullanır:

  1. [FONT:0]Primary döngüsü[[Dönetici: Coolant, çekirdekten geçer, ısıyı absorbe eder.Bir PWR'de birincil su yüksek baskı altında tutulur (~ 155 bar) bir buhar jeneratörü ile geçer, ısıyı ikincil bir döngüye transfer eder.
  2. [FONT:0]İkinci döngü[[Dönetici: Orta döngüde su buhara dökülüyor, bu da bir tür bir elektrik jeneratörüne bağlı bir türbine bağlı olarak buhar jeneratörüne geri döndü ve buhar jeneratörüne geri döndü.
  3. [FONT:0)Condenser soğutma (tertiary loop))[Dönemli buhardan ısı, bir soğutma kulesine, nehire veya okyanusa reddedilir.

BWR'de birincil döngü daha basit: su direkt olarak çekirdekte kaynar ve buhar doğrudan Türbine gönderilir. Ancak bu, tür bir tür daha radyoaktif hale gelir, ilave kalkan ve bakım önlemleri gerektirir.

Binbaşı Reaktör Tipleri ve Onların Bilimsel Kaybolmaları

Birkaç reaktör tasarımı ticarileştirildi, her biri temel ilkeleri uygulamak için eşsiz yollar.

  • [FONT:0)Basında Su Reaktör (PWR))[PWR)[En yaygın tasarım (27 270 birim) Işık su moderatörü / yüksek basınç altında iki-loop tasarımı, Türbini radyoaktif sudan ayırır.
  • [FONT:0)Boiling Water Reaktör (BWR))[değiştir | kaynağı değiştir]: Buharın doğrudan çekirdekte üretildiği tek-loop tasarımı. Simpler ama radyoaktif buhara maruz kalan tür.
  • [FONT:0)CANDU (Kanada Deuterium Uranium))[Dönemli su moderatörü ve serin, doğal uranyum yakıtı).
  • [FONT:0) İleri Gaz soğutmalı Reaktör (AGR)[DÜT:1)[FONT)[Dönetici moderatörü, karbon dioksit serin, zenginleştirilmiş uranyum yakıt. daha yüksek sıcaklıklarda Operates (~ 650 °C) daha iyi ısı verimliliği için.
  • [FONT=0)Fast Breeder Rektör (FBR)): No moderator - zincir reaksiyonu korumak için hızlı nötronlar kullanır. Tipik olarak sıvı metal serin (sodium, lead) Daha fazla fissile yakıt (plutonyum)
  • [FONT:0)Küçük modüler Rejim (SMR))[FES: Yeni tasarımlar (örneğin, NuScale, Rolls-Royce SMR) gelişmiş güvenlik özellikleri ve fabrika üretimi dahil olmak üzere.

Derinlikdeki reaksiyonları kontrol edin

K[D:0)eff[[DÜT 1: 1) = 1 sabit ayarlama gerektirir çünkü reaktörün nötron nüfusu yakıt yakma, sıcaklık ve zehir inşa edildi. Reaktör operatörleri birden fazla red dışı yöntemi kullanır.

Rodss

Boron10 yüksek bir nötron absorpsiyon kesiti vardır. Kontrol çubukları reaktör gemisinin üst kısmında sürücü mekanizmaları tarafından hareket edilir.Normal operasyon sırasında, küçük bir çubuk parçası kısmen iyi bir şekilde monte edilir.

Kimyasal Shim ve Burnable Absorbers

Birçok PWRs, borik asit (H3BO4) birincil serinliğe eklenir. Boron absorbs nötronlar, bu yüzden borik asit konsantrasyonu ayarlamakla, operatörler yakıt kesintisi ve xenon-135 zehiri inşa etmek için telafi edilebilir emerler (örneğin, gadolinyum veya erbium yakıtlar içine karışır) yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yakıt döngüsü üzerinde reaktiviteyitebilir.

Neutron Zehirleri: Xenon-135 ve Samarium-149

Xenon135, reaktör geçici olarak subkkkronun çürümesini sağlayan bir fission üründür (yaklaşık 8 saat önce I-135’in öncülüğü için) yeniden başlatmadan önce, Samarium-149'in benzer ama daha az dramatik bir etkisi vardır.

Güvenlik Sistemleri: Mühendislik Margin ve Savunma-in-Depth

Nükleer güvenlik, İZFLT prensibi üzerine inşa edilmiştir:0) Derinlik içinde (Dönetici: 1), birçok bağımsız koruma katmanı sağlar. birincil hedef, yakıt serin tutmak ve radyoaktif malzemeleri sağlamaktır, hatta kaza koşullarında.

  • [FONT:0]Inherent güvenlik özellikleri[[Dönetici: LWRs'te, serin sıcaklık yükselirse, su genişletir, bir boşluk negatif kata (PWRs) yol açar, moderatör daha az yoğun hale gelir, zincir reaksiyonu yavaşlatır.
  • [FONT:0) Kontrol çubukları ve kapalı sistemler[Dönetici: Tüm reaktörler negatif reaktivite eklemek için çeşitli bir araç vardır - genellikle iki bağımsız çubuk seti, bir tane ağırlık ve aktif bir nötron-absorbing kimyasal enjeksiyonu ile bir tane (boated su).
  • [FONT:0)Emergency core soğutma sistemleri (ECCS))[Üye Olmayan bir kaza meydana gelir (örneğin, bir boru molası), ECCS pompaları, yüksek basınçlı enjeksiyon ile çekirdekli su ile ısıtılır ve düşük basınçlı spreyler sürekli soğutma sağlar.
  • [FONT=0)Kontainment binası[[Dönetici: CUMH 1): Bir kalın takviye beton yapısı (çoğu durumda çelik-çevre) reaktör gemisini kapatıyor. Bir buhar serbest bırakmadan iç baskıya karşı çıkmak veya hatta dış bir uçak etkisinden çok daha fazla engel.

Radyoaktif atık yönetimi

reaktörlerden gelen yakıtlar binlerce yıldır oldukça radyoaktif kalıyor. Bu atıkları yönetmek bilimsel ve mühendislik meydan okumasıdır.

Spent Yakıt Özellikleri

Temelde 18-24 ay sonra, yakıtın çok az fissile atomları vardır ve uzun vadeli depolama için bir zincir reaksiyonu sürdürmek için çok fazla nötron-absorbing ürünlerine yerleştirilebilir.

Yeniden işleme Seçenekleri

Bazı ülkeler (özellikle Fransa, Rusya, Japonya) yeniden işleme yakıtı plutonium ve uranyumu ayırmak için harcandı. karma oksit (MOX) yakıt daha sonra plutonyumdan üretilebilir, yüksek seviyeli atıkların hacmini azaltır. Ancak, yeniden işleme endişeleri arttırır ve bir kez yakıt döngülerinden daha pahalıdır.

Deep Geological Disposal

En yaygın olarak kabul edilen uzun vadeli çözüm, istikrarlı jeolojik formlarda yüzlerce metre yeraltında çöpe bindirilmesidir. Finlandiya'nın Onkalo repository, inşaat altında, dünyanın ilk kalıcı imha sitesidir.Çok fazla engele dayanıyor: cam benzeri atık formu, bir bakır şeker, bentonit çamur ve çevreci yatağı.

Future: Next-Generation Reorsorsors

Gelişmiş reaktör tasarımları güvenliği, verimliliği ve sürdürülebilirliği geliştirmek için hedefler. Nesil IV Uluslararası Forum (GIF) birçok umut verici sistem seçti:

  • [FONT:0]Very-High-Temperature Reaktör (VHTR))[FONT: Graphite-mode, helium-cooled, hidrojen üretimine izin veren 1000 °C'ye kadar çıkış sıcaklıkları.
  • [FONT:0)Molten Salt Reor (MSR))[Molten Salt Reaktör (MSR)[D)[FONT: 1) Bir dolaşımda bulunan bir fluoride tuz serinledi.
  • [FONT:0)Sodium-cooled Fast Reor (SFR)[DÜT 1: 1 ): Hızlı spektrum, yakıt döngüsünü Fransa'da ve BN-800'de yakarak kapat.
  • [FONT:0)Lead-cooled Fast Reaktör (LFR)[DÜT:1)[0 ): SFR'ye benzer bilimler ama liderlik veya liderlik kullanarak, bu da hava ve su ile kimyasal olarak inert.
  • Küçük Modüler Reaktörler (SMRs): Fabrika inşa edilmiş ve taşınan Kompakt tasarımlar (tipik olarak <300 MWe) ve birçok kişi, ısı kaldırılması için doğal dolaşım gibi pasif güvenlik özelliklerini içerir.

Bu tasarımlar yukarıda açıklanan bilimsel ilkeleri paylaşırlar, ancak daha yüksek performans ve daha düşük atık proliferasyon riski elde etmek için malzeme bilimi, ısı transferi ve nükleer yakıt döngülerinin sınırlarını zorlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Nükleer reaktörler uygulanan fiziğin bir zaferidir. Çok sayıda mühendislik katmanına güveniyorlar, acil durum soğutması ve sağlam bir şekilde seçilmiş malzemelerle devam ediyor.Sıcak üretilen ısı, geleneksel türbinde bulunan herkes için gereklidir.Rektör güvenlik, çok sayıda mühendislik katmanından tasarruf sağlar - pasif geri bildirim katları, daha yüksek nükleer enerji kaynaklarının korunması ve sağlamleştirilmesi, yenidenaktivite kontrolü arkasındaki bilimsel ilkelerin arkasındaki bilimsel ilkelerin varlığını sürdürüyor.