Branduolinis reaktorius: apibrėžimas, veikimo principas ir panaudojimas

Branduolinis reaktorius: supraskite veikimo principą, kuro rūšis, elektros gamybą, panaudojimą ir saugos iššūkius — aiškus, informatyvus gidas apie atomų energetiką.

Branduolinis reaktorius - tai įrenginys, kuriame šilumos gamybai naudojamas branduolių dalijimasis. Yra įvairių konstrukcijų, kuriose naudojamas skirtingas kuras. Dažniausiai pagrindinės šių kuro rūšių sudedamosios dalys yra uranas-235 arba plutonis-239.

Dauguma branduolinių reaktorių naudojami elektros energijai gaminti. Branduolinėseelektrinėse šiluma, atsirandanti reaktoriuje vykstant skilimo reakcijoms, vandenį paverčia garais. Garo energija naudojama elektros turbinoms, kurios gamina elektros energiją. Kaip ir kituose garo varikliuose, turbinose energija gaunama iš garo judėjimo.

Kai kurie reaktoriai naudojami kitiems tikslams. Kai kurie reaktoriai gamina neutronus moksliniams tyrimams, kiti - radioaktyvius izotopus. Kai kuriuose universitetuose yra nedidelių branduolinių reaktorių, kuriuose studentai mokomi, kaip veikia reaktoriai.

Pirmąjį branduolinį reaktorių 1942 m. sukonstravo Enrico Fermi vadovaujama mokslininkų grupė. Tai buvo Manheteno projekto, kurio metu iš reaktoriaus gautas kuras buvo reikalingas atominei bombai gaminti, dalis. Pirmasis branduolinis reaktorius, kuriame buvo gaminama elektros energija, buvo 1951 m. Aidaho valstijoje pastatytas nedidelis eksperimentinis reaktorius. Jis pagamino tik tiek elektros energijos, kiek jos užtektų keturiems šviesos gaubliams.

Branduolinių reaktorių statyba yra brangi, nes juose turi būti daug saugos priemonių. Be to, kyla problemų dėl didžiulio kiekio radioaktyviųjų atliekų, susidarančių reaktoriuose. Tačiau jie pigiai gamina elektros energiją ir neteršia oro. Keliuose branduoliniuose reaktoriuose įvyko rimtų avarijų: (Jungtinė Karalystė) 1957 m., Majak (SSRS) 1957 m., Trijų mylių sala (JAV) 1979 m., Černobylis (SSRS) 1986 m. ir Fukušima (Japonija) 2011 m. Susirūpinimas dėl saugos apribojo branduolinės energijos plėtrą. Pasaulyje veikia apie 437 reaktoriai, kurie pagamina apie 5 % pasaulio elektros energijos.

Veikimo principas

Branduolinio reaktoriaus veikimo pagrindas — grandininė branduolio skilimo reakcija. Skilimo metu sunkūs branduoliai (pvz., uranas-235) skyla į lengvesnius branduolius, išskirdami šilumą ir neutronus. Išlaisvinti neutronai gali sukelti tolesnius skilimus kitose kuro dalelėse, todėl tinkamai parinkus kuro tankį ir geometriją reakcija palaikoma pastovi arba valdomai intensyvi.

Svarbūs etapai:

• neutronų gamyba skilimo metu;
• neutronų sulėtinimas (kai reikia), kad padidėtų tikimybė sukelti skilimą kituose branduoliuose;
• šilumos pernešimas nuo reaktoriaus šerdies į šilumokaičius (aušintuvus);
• šios šilumos panaudojimas garui gaminti ir elektros generatoriams varyti.

Pagrindinės reaktoriaus dalys

• Kuras: kuro elementai, kuriuose yra uranas-235, natūralus uranas ar kita branduolinė medžiaga.
• Šerdis (core): kuro elementų ir moderatoriaus visuma, kurioje vyksta skilimo reakcija.
• Moderatorius: medžiaga (pvz., vanduo, sunkusis vanduo, grafitas), kuri sulėtina neutronus, kad padidintų skilimų tikimybę (ne visuose reaktoriuose reikalingas).
• Valdymo strypai: pagaminti iš neutronus sugertinių medžiagų (pvz., bora, kadmisio), skirti reaktoriaus galingumui reguliuoti.
• Aušinimo sistema: pašalina šilumą iš šerdies — gali būti skystas vanduo, sunkus vanduo, dujos arba skystas metalas.
• Slėgio indas ir aptvaras: mechaninės konstrukcijos, užtikrinančios izoliaciją ir apsaugą nuo radioaktyviųjų išmetimų.

Reaktorių tipai

Yra daug konstrukcijų, skirtų skirtingiems tikslams ir sąlygoms. Dažniausi tipai:

• PWR (Spaudžiamo vandens reaktorius): aušinimui naudojamas vanduo po slėgiu; populiarus komercinėse elektrinėse.
• BWR (Virimo vandens reaktorius): reaktoriaus aušintuvas verda vietoje ir gaminamas garas tiesiogiai perduodamas turbinais.
• CANDU: naudojamas sunkusis vanduo kaip moderatorius ir aušintuvas; gali naudoti natūralų uraną.
• RBMK: grafito moderuojamas, vandeniu aušinamas reaktorius (gerai žinomas iš Černobylio avarijos konteksto).
• Greitųjų neutronų reaktoriai (breeder): nereikalauja moderatoriaus, gali gaminti daugiau tinkamo kuro (plutoničio) nei sunaudoja.
• Tyrimų reaktoriai ir SMR: mažesnio galingumo reaktoriai mokslui, izotopų gamybai arba nauja SMR (small modular reactors) karta.

Panaudojimas

• Elektros energetika: pagrindinis branduolinių reaktorių panaudojimas — stabili, didelės galios elektros gamyba.
• Tyrimai: neutronų srautai ir tyrimų reaktoriai naudojami medžiagų, biologijos ir fizikos eksperimentams.
• Izotopų gamyba: medicininių ir pramoninių radioizotopų gamyba (pvz., gydymui ir diagnostikai).
• Navigacija ir kosminiai prietaisai: branduolinės jėgainės naudojamos povandeniniams laivams, laivams ir kai kuriose kosminėse technologijose.
• Šilumos tiekimas: pramoninis šildymas, atgaminimas ar jūros vandens atskiedimas (desalinacija).

Sauga ir avarijos

Branduolinių reaktorių projektavime taikomos kelių lygių saugos priemonės: aktyvios (mechaninės ir elektrinės) bei pasyvios (fizikiniai principai, leidžiantys veikti be išorinių energijos šaltinių). Svarbūs aspektai — aušinimo patikimumas, nelaimingų atsitikimų scenarijų prognozavimas, avarijų valdymo procedūros ir radiacinės apsaugos priemonės.

Keliuose branduoliniuose reaktoriuose istorijoje įvyko rimtų avarijų, dėl kurių sugriežtintos saugos normos ir projektavimo reikalavimai. Išmoktos pamokos apima avarijų prevenciją, evakuacijos planavimą, radiacinės taršos likvidavimą ir reaktorių konstrukcijų atnaujinimą.

Radioaktyviųjų atliekų tvarkymas

Po kuro panaudojimo susidaro stipriai radioaktyvios atliekos (išdegęs kuras). Pagrindinės tvarkymo strategijos:

• Laikinas saugojimas: baseinuose prie reaktoriaus (šaltoji zona) ir uždarose džiovinimo talpyklose;
• Perdirbimas: tam tikrose šalyse išdegęs kuras chemiškai perdirbamas, atskiriant naudotinus izotopus (tą daro, pavyzdžiui, Prancūzija);
• Galutinis saugojimas: gilusis saugyklas kalnuose ar uolienoje planuojama naudoti kaip ilgalaikį sprendimą aukšto lygio atliekoms.

Ekonomika ir poveikis aplinkai

Branduolinė energetika turi dideles pradines investicijų sąnaudas (statyba, saugumas), tačiau ilguoju laikotarpiu generatoriai nemokamai neišlaisvina CO2 per elektros gamybą. Branduolinės jėgainės gali užtikrinti pastovų elektros tiekimą mažiau priklausomą nuo oro sąlygų nei atsinaujinantys šaltiniai. Didžiausi iššūkiai — atliekų tvarkymas, avarijų rizika ir aukštos kapitalo sąnaudos.

Istorija ir plėtra

Branduolinio reaktoriaus idėjos ir praktinis įgyvendinimas per XX a. pakeitė energetikos ir mokslo kraštovaizdį. Nuo pirmųjų eksperimentinių reaktorių iki modernių komercinių blokų plėtra buvo skatinama tiek energetikos poreikių, tiek karinių programų. Po didelių avarijų kai kuriose šalyse plėtra sulėtėjo, tačiau naujos technologijos, tokios kaip SMR ir pažangūs reaktorių tipai, siekia pagerinti saugumą ir ekonominį patrauklumą.

Santrauka

Branduolinis reaktorius yra sudėtingas ir efektyvus energetikos įrenginys, kuriame grandininė branduolio skilimo reakcija paverčiama šiluma, o ši — elektros energija ar kitu būdu naudojama. Jis turi privalumų (mažesnės šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos per gamybą, didelė energijos tankis) ir trūkumų (atliekos, avarijų pasekmės, didelės pradinės sąnaudos). Technologijų pažanga ir griežtos saugos priemonės yra esminės, kad branduolinė energetika būtų patikima ir priimtina visuomenei.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra branduolinis reaktorius?

K: Kaip branduolinis reaktorius gamina elektrą?

K: Kokios dar yra kai kurių reaktorių paskirtis?

K: Kas pastatė pirmąjį branduolinį reaktorių?

K: Kada pirmasis branduolinis reaktorius buvo panaudotas elektrai gaminti?

K: Kodėl juos statyti yra brangu?

K: Kokių problemų kyla juos naudojant?

Paieška pagal raidę