อุปกรณ์และหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีพื้นฐานมาจากการเริ่มต้นและการควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบยั่งยืนในตัวเอง ใช้เป็นเครื่องมือในการวิจัย ในการผลิตไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี และเป็นแหล่งพลังงานสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์: มันทำงานอย่างไร (สั้นๆ)
ที่นี่ใช้กระบวนการแยกตัวของนิวเคลียส ซึ่งนิวเคลียสหนักแตกเป็นชิ้นเล็กสองชิ้น ชิ้นส่วนเหล่านี้อยู่ในสถานะตื่นเต้นสูงและปล่อยนิวตรอน อนุภาคย่อยของอะตอมและโฟตอนอื่นๆ นิวตรอนสามารถทำให้เกิดฟิชชันใหม่ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่นิวตรอนถูกปล่อยออกมามากขึ้น เป็นต้น การแตกแยกต่อเนื่องแบบต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ ในเวลาเดียวกัน พลังงานจำนวนมากก็ถูกปล่อยออกมา ซึ่งการผลิตนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์คือประมาณ 85% ของพลังงานฟิชชันถูกปล่อยออกมาภายในระยะเวลาอันสั้นหลังจากเริ่มปฏิกิริยา ส่วนที่เหลือผลิตในผลของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของผลิตภัณฑ์ฟิชชันหลังจากที่ปล่อยนิวตรอนออกมา การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเป็นกระบวนการที่อะตอมเข้าสู่สภาวะที่เสถียรกว่า ดำเนินต่อไปแม้หลังจากการแบ่งส่วนเสร็จสิ้น
ในระเบิดปรมาณู ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเพิ่มความเข้มข้นจนกว่าวัสดุส่วนใหญ่จะถูกแยกออก สิ่งนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดลักษณะการระเบิดที่มีพลังมหาศาลของระเบิดดังกล่าว อุปกรณ์และหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีพื้นฐานมาจากการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้อยู่ในระดับที่ควบคุมได้เกือบคงที่ มันถูกออกแบบให้ไม่สามารถระเบิดได้เหมือนระเบิดปรมาณู
ปฏิกิริยาลูกโซ่และวิกฤต
ฟิสิกส์ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันคือปฏิกิริยาลูกโซ่ถูกกำหนดโดยความน่าจะเป็นของการแตกตัวของนิวเคลียร์หลังจากการปล่อยนิวตรอน หากจำนวนประชากรในระยะหลังลดลง อัตราการแตกตัวในท้ายที่สุดก็จะลดลงเหลือศูนย์ ในกรณีนี้ เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสถานะกึ่งวิกฤต หากจำนวนนิวตรอนคงที่ อัตราการแตกตัวจะคงที่ เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาพวิกฤติ และสุดท้าย หากจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป อัตราการแตกตัวและกำลังจะเพิ่มขึ้น แกนกลางจะกลายเป็นวิกฤตยิ่งยวด
หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีดังนี้ ก่อนปล่อย นิวตรอนใกล้ศูนย์ จากนั้นผู้ปฏิบัติงานก็เอาแท่งควบคุมออกจากแกน เพิ่มการแตกตัวของนิวเคลียร์ ซึ่งแปลได้ชั่วคราวเครื่องปฏิกรณ์สู่สภาวะวิกฤตยิ่งยวด หลังจากถึงค่าพลังงานที่กำหนด ผู้ปฏิบัติงานจะคืนแท่งควบคุมบางส่วน โดยปรับจำนวนนิวตรอน ในอนาคต เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาพวิกฤติ เมื่อจำเป็นต้องหยุด ผู้ปฏิบัติงานจะใส่แท่งเข้าไปจนสุด สิ่งนี้จะยับยั้งการแยกตัวและนำแกนกลางไปสู่สภาวะวิกฤตย่อย
ประเภทเครื่องปฏิกรณ์
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่ของโลกสร้างพลังงาน สร้างความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนกังหันที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีเครื่องปฏิกรณ์วิจัยจำนวนมาก และบางประเทศมีเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์หรือเรือผิวน้ำ
โรงไฟฟ้า
เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้มีหลายประเภท แต่การออกแบบน้ำเบาพบว่ามีการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง ในทางกลับกันก็สามารถใช้น้ำอัดลมหรือน้ำเดือดได้ ในกรณีแรก ของเหลวภายใต้แรงดันสูงจะได้รับความร้อนจากแกนกลางและเข้าสู่เครื่องกำเนิดไอน้ำ ความร้อนจากวงจรปฐมภูมิจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรทุติยภูมิซึ่งมีน้ำอยู่ด้วย ไอน้ำที่สร้างขึ้นในที่สุดจะทำหน้าที่เป็นสารทำงานในวงจรกังหันไอน้ำ
เครื่องปฏิกรณ์แบบเดือดทำงานบนหลักการของวัฏจักรพลังงานโดยตรง น้ำที่ไหลผ่านโซนแอคทีฟถูกนำไปต้มที่ระดับแรงดันเฉลี่ย ไอน้ำอิ่มตัวไหลผ่านชุดเครื่องแยกและเครื่องอบผ้าที่อยู่ในถังปฏิกรณ์ ซึ่งทำให้สภาวะที่ร้อนจัด ไอน้ำร้อนยวดยิ่งถูกใช้เป็นสารทำงานเพื่อหมุนกังหัน
ระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูง
เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยก๊าซอุณหภูมิสูง (HTGR) เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีหลักการทำงานอยู่บนพื้นฐานของการใช้ส่วนผสมของกราไฟท์และไมโครสเฟียร์เชื้อเพลิงเป็นเชื้อเพลิง มีการออกแบบที่แข่งขันกันสองแบบ:
- ระบบ "ฟิลเลอร์" ของเยอรมันที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 มม. ซึ่งเป็นส่วนผสมของกราไฟต์และเชื้อเพลิงในเปลือกกราไฟท์
- อเมริกาในรูปปริซึมหกเหลี่ยมกราไฟต์ที่ประสานกันเพื่อสร้างโซนแอคทีฟ
ในทั้งสองกรณี น้ำหล่อเย็นประกอบด้วยฮีเลียมที่ความดันประมาณ 100 บรรยากาศ ในระบบเยอรมัน ฮีเลียมผ่านช่องว่างในชั้นขององค์ประกอบเชื้อเพลิงทรงกลม และในระบบอเมริกัน ผ่านรูในปริซึมกราไฟต์ที่อยู่ตามแนวแกนของโซนกลางของเครื่องปฏิกรณ์ ทั้งสองตัวเลือกสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงมาก เนื่องจากกราไฟท์มีอุณหภูมิการระเหิดสูงมาก ในขณะที่ฮีเลียมมีความเฉื่อยทางเคมีโดยสิ้นเชิง ฮีเลียมร้อนสามารถนำมาใช้เป็นสารทำงานโดยตรงในกังหันก๊าซที่อุณหภูมิสูง หรือสามารถใช้ความร้อนเพื่อสร้างไอน้ำในวงจรของน้ำได้
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โลหะเหลว: แบบแผนและหลักการทำงาน
เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนแบบเร็วพร้อมสารหล่อเย็นโซเดียมได้รับความสนใจอย่างมากในทศวรรษ 1960 และ 1970 แล้วดูเหมือนว่าความสามารถในการผลิตซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในอนาคตอันใกล้มีความจำเป็นสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงสำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว เมื่อเห็นได้ชัดว่าในช่วงทศวรรษ 1980 ความคาดหวังนี้ไม่สมจริง ความกระตือรือร้นก็ลดลง อย่างไรก็ตาม มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้จำนวนหนึ่งในสหรัฐอเมริกา รัสเซีย ฝรั่งเศส บริเตนใหญ่ ญี่ปุ่น และเยอรมนี ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมไดออกไซด์หรือผสมกับพลูโทเนียมไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ในสหรัฐอเมริกา ความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือเชื้อเพลิงโลหะ
CANDU
แคนาดาได้เน้นความพยายามในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ สิ่งนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องเสริมคุณค่าเพื่อหันไปใช้บริการของประเทศอื่น ผลของนโยบายนี้คือเครื่องปฏิกรณ์ดิวเทอเรียม-ยูเรเนียม (CANDU) การควบคุมและการระบายความร้อนในนั้นดำเนินการโดยน้ำที่หนัก อุปกรณ์และหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือการใช้ถังที่มีความเย็น D2O ที่ความดันบรรยากาศ แกนกลางถูกเจาะด้วยท่อที่ทำจากโลหะผสมเซอร์โคเนียมด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติ ซึ่งจะทำให้น้ำเย็นลง ไฟฟ้าเกิดจากการถ่ายเทความร้อนของฟิชชันในน้ำที่มีน้ำหนักมากไปยังน้ำหล่อเย็นที่ไหลเวียนผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำ ไอน้ำในวงจรทุติยภูมิจะผ่านวงจรกังหันปกติ
การติดตั้งงานวิจัย
สำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ส่วนใหญ่มักใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หลักการคือการใช้น้ำหล่อเย็นและองค์ประกอบเชื้อเพลิง lamellar ยูเรเนียมในรูปแบบของส่วนประกอบ สามารถทำงานได้ในระดับพลังงานที่หลากหลาย ตั้งแต่ไม่กี่กิโลวัตต์ไปจนถึงหลายร้อยเมกะวัตต์ เนื่องจากการผลิตไฟฟ้าไม่ใช่งานหลักของเครื่องปฏิกรณ์วิจัย จึงมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานความร้อน ความหนาแน่น และพลังงานที่ระบุของนิวตรอนในแกนกลาง เป็นพารามิเตอร์เหล่านี้ที่ช่วยในการวัดความสามารถของเครื่องปฏิกรณ์วิจัยเพื่อทำการสำรวจเฉพาะ ระบบพลังงานต่ำมักใช้ในมหาวิทยาลัยเพื่อวัตถุประสงค์ในการสอน ในขณะที่ระบบกำลังสูงจำเป็นในห้องปฏิบัติการ R&D สำหรับการทดสอบวัสดุและประสิทธิภาพและการวิจัยทั่วไป
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยที่พบบ่อยที่สุด โครงสร้างและหลักการทำงานมีดังนี้ โซนแอคทีฟของมันตั้งอยู่ที่ด้านล่างของแอ่งน้ำลึกขนาดใหญ่ วิธีนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการสังเกตและจัดตำแหน่งของช่องสัญญาณที่ลำแสงนิวตรอนสามารถกำหนดทิศทางได้ ที่ระดับพลังงานต่ำ ไม่จำเป็นต้องไล่อากาศหล่อเย็นออกไป เนื่องจากการพาความร้อนตามธรรมชาติของสารหล่อเย็นช่วยกระจายความร้อนที่เพียงพอเพื่อรักษาสภาพการทำงานที่ปลอดภัย ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนมักจะอยู่บนพื้นผิวหรือที่ด้านบนของสระที่มีน้ำร้อนสะสม
การติดตั้งเรือ
การใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเดิมและหลักอยู่ในเรือดำน้ำ ข้อได้เปรียบหลักของพวกเขาคือซึ่งต่างจากระบบการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลตรงที่ไม่ต้องการอากาศเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ดังนั้น เรือดำน้ำนิวเคลียร์จึงสามารถจมอยู่ใต้น้ำได้เป็นเวลานาน ในขณะที่เรือดำน้ำดีเซล-ไฟฟ้าแบบธรรมดาจะต้องลอยขึ้นสู่ผิวน้ำเป็นระยะเพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ในอากาศ พลังงานนิวเคลียร์สร้างความได้เปรียบเชิงกลยุทธ์ให้กับเรือของกองทัพเรือ ช่วยลดความจำเป็นในการเติมเชื้อเพลิงที่ท่าเรือต่างประเทศหรือจากเรือบรรทุกน้ำมันที่มีช่องโหว่
หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บนเรือดำน้ำถูกจัดประเภท อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีว่าในสหรัฐอเมริกานั้นใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง และการชะลอตัวและการทำความเย็นทำได้โดยใช้น้ำเบา การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกของเรือดำน้ำนิวเคลียร์ USS Nautilus ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยอันทรงพลัง คุณลักษณะเฉพาะของมันคืออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สูงมาก ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่ยาวนานโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง และความสามารถในการรีสตาร์ทหลังจากหยุดรถ โรงไฟฟ้าในหน่วยย่อยจะต้องเงียบมากเพื่อหลีกเลี่ยงการตรวจจับ เพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของเรือดำน้ำประเภทต่างๆ ได้มีการสร้างแบบจำลองโรงไฟฟ้าที่แตกต่างกัน
เรือบรรทุกเครื่องบินของกองทัพเรือสหรัฐฯ ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเชื่อกันว่าหลักการดังกล่าวยืมมาจากเรือดำน้ำที่ใหญ่ที่สุด รายละเอียดการออกแบบยังไม่เปิดเผย
นอกจากสหรัฐอเมริกาแล้ว สหราชอาณาจักร ฝรั่งเศส รัสเซีย จีน และอินเดียยังมีเรือดำน้ำนิวเคลียร์อีกด้วย ในแต่ละกรณีการออกแบบไม่ได้ถูกเปิดเผย แต่เชื่อว่ามีความคล้ายคลึงกันมาก - นี่เป็นผลมาจากข้อกำหนดเดียวกันสำหรับลักษณะทางเทคนิคของพวกเขา รัสเซียยังมีเรือตัดน้ำแข็งขนาดเล็กที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ซึ่งมีเครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกับเรือดำน้ำโซเวียต
การติดตั้งอุตสาหกรรม
สำหรับการผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธ -239 นั้นใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งมีหลักการคือให้ผลผลิตสูงและมีการผลิตพลังงานในระดับต่ำ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าพลูโทเนียมอยู่ในแกนเป็นเวลานานทำให้เกิดการสะสมของพลูโทเนียมที่ไม่ต้องการ 240Pu.
การผลิตไอโซโทป
ปัจจุบัน วัสดุหลักที่ผลิตโดยระบบดังกล่าวคือไอโซโทป (3H หรือ T) ประจุสำหรับระเบิดไฮโดรเจน พลูโทเนียม-239 มีครึ่งชีวิตที่ยาวนานถึง 24,100 ปี ดังนั้นประเทศที่มีคลังอาวุธนิวเคลียร์ที่ใช้องค์ประกอบนี้จึงมีแนวโน้มที่จะมีจำนวนมากกว่าที่ต้องการ ต่างจาก 239Pu ทริเทียมมีครึ่งชีวิตประมาณ 12 ปี ดังนั้น เพื่อคงไว้ซึ่งเสบียงที่จำเป็น ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของไฮโดรเจนจะต้องถูกผลิตอย่างต่อเนื่อง ในสหรัฐอเมริกา แม่น้ำสะวันนา เซาท์แคโรไลนา มีเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักหลายเครื่องที่ผลิตไอโซโทป
หน่วยกำลังลอย
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นซึ่งสามารถให้ไฟฟ้าและไอน้ำร้อนไปยังพื้นที่ห่างไกลที่ห่างไกล ตัวอย่างเช่นในรัสเซียพบแอปพลิเคชันโรงไฟฟ้าขนาดเล็กที่ออกแบบมาเพื่อให้บริการชุมชนอาร์กติกโดยเฉพาะ ในประเทศจีน โรงงาน HTR-10 ขนาด 10 เมกะวัตต์จะจ่ายความร้อนและพลังงานให้กับสถาบันวิจัยที่ตั้งอยู่ เครื่องปฏิกรณ์ควบคุมขนาดเล็กที่มีความสามารถใกล้เคียงกันกำลังได้รับการพัฒนาในสวีเดนและแคนาดา ระหว่างปี 1960 ถึงปี 1972 กองทัพสหรัฐฯ ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำขนาดเล็กเพื่อเป็นพลังงานให้กับฐานทัพที่ห่างไกลในกรีนแลนด์และแอนตาร์กติกา พวกเขาถูกแทนที่ด้วยโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิง
สำรวจอวกาศ
นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์สำหรับการจ่ายไฟและการเคลื่อนที่ในอวกาศ ระหว่างปี พ.ศ. 2510 และ พ.ศ. 2531 สหภาพโซเวียตได้ติดตั้งโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเล็กบนดาวเทียมคอสมอสไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าและการวัดทางไกล แต่นโยบายนี้กลายเป็นเป้าหมายของการวิพากษ์วิจารณ์ ดาวเทียมเหล่านี้อย่างน้อยหนึ่งดวงเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก ส่งผลให้เกิดการปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีในพื้นที่ห่างไกลของแคนาดา สหรัฐฯ ปล่อยดาวเทียมพลังงานนิวเคลียร์เพียงดวงเดียวในปี 2508 อย่างไรก็ตาม ยังคงมีการพัฒนาโครงการสำหรับการใช้งานในเที่ยวบินในห้วงอวกาศ การสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่น หรือบนฐานดวงจันทร์ถาวร จำเป็นต้องเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สหรือโลหะเหลว ซึ่งหลักการทางกายภาพจะให้อุณหภูมิสูงสุดเท่าที่จำเป็นในการลดขนาดของหม้อน้ำ นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์อวกาศควรมีขนาดกะทัดรัดที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อลดปริมาณวัสดุที่ใช้สำหรับป้องกันและลดน้ำหนักในระหว่างการปล่อยตัวและการบินในอวกาศ เชื้อเพลิงสำรองจะช่วยให้มั่นใจถึงการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ตลอดระยะเวลาการบินอวกาศ
