核反應堆：運行原理，裝置和電路

核反應堆的設計和運行是基於自我維持核反應的初始化和控制。 它被用作研究工具，用於生產放射性同位素和作為核電廠的能源。

核反應堆： 運行原理（簡稱）

在這裡，使用核裂變過程，其中重核分解成兩個較小的碎片。 這些碎片處於非常激發的狀態，並發出中子，其他亞原子粒子和光子。 中子可能會引起新的轟炸，因此它們被輻射得更多，等等。 這種連續的自我維持的分裂系列被稱為連鎖反應。 同時，分配了大量的能源，其生產是使用核電廠的目的。

核反應堆和原子能發電站的運行原理是在反應開始後的非常短的時間內釋放出85％的裂解能的菌落。 其餘的是由於裂變產物在發射中子後的放射性衰變而產生的。 放射性衰變是原子達到更穩定狀態的過程。 該部門完成後繼續進行。

在原子彈中，連鎖反應增加其強度，直到大部分材料分裂為止。 這種情況發生得很快，產生了非常強大的爆炸，這種炸彈是典型的。 核反應堆的設計和運行基於將鏈反應保持在規定的，幾乎恆定的水平。 它的設計使其不會像原子彈那樣爆炸。

連鎖反應和關鍵性

核裂變反應堆的物理學是鏈反應是由中子發射後的核分裂的概率決定的。 如果後者的人口減少，則裂變率最終下降到零。 在這種情況下，反應器將處於亞臨界狀態。 如果中子的數量維持在一定水平，則裂變率將保持穩定。 反應器將處於危急狀態。 最後，如果中子人口隨著時間的推移增加，裂變率和功率就會增加。 核心的狀態變得超臨界。

核反應堆的運行原理如下。 發射前，中子人口接近零。 操作者然後從核心上移除控制桿，增加核的裂變，暫時將反應器轉移到超臨界狀態。 達到額定功率後，操作員部分返回控制棒，調節中子數。 將來，反應堆處於臨界狀態。 當需要停止時，操作人員完全插入桿。 這樣可以抑制劃分並將活動區域移動到亞臨界狀態。

反應堆類型

世界上大多數現有的核設施都是為運動發電機設置的渦輪轉動所需的能量產生熱量。 還有許多研究堆，一些國家有原子能量驅動的潛艇或水面艦艇。

發電廠

這種類型的反應堆有幾種類型，但在輕水上的施工已經廣泛應用。 反過來，它可以在壓力或沸水下使用水。 在第一種情況下，高壓液體被芯的熱量加熱並進入蒸汽發生器。 在那裡，來自初級電路的熱量傳遞到二次迴路，也含有水。 最終產生的蒸汽是汽輪機循環中的工作流體。

沸騰型反應器以直接能量循環的原理運行。 通過活動區域的水在平均壓力水平下沸騰。 飽和蒸汽通過位於反應器容器中的一系列分離器和乾燥器，這導致過熱狀態。 然後使用過熱水蒸汽作為使渦輪旋轉的工作流體。

高溫帶氣體冷卻

高溫氣冷堆（HTGR）是一個核反應堆，其原理是以石墨和燃料微球的混合物為燃料。 有兩種競爭設計：

• 德國“回填”系統，其使用直徑為60mm的球形燃料電池，其是在石墨殼中的石墨和燃料的混合物;
• 美國變體以石墨六角棱鏡的形式粘附，形成一個活躍的區域。

在這兩種情況下，冷卻液體在約100大氣壓的壓力下由氦組成。 在德國系統中，氦氣通過一層球形燃料電池中的間隙，而在美製系統中，通過位於反應器中心區軸線的石墨棱鏡的孔。 兩種變體都可以在非常高的溫度下工作，因為石墨具有非常高的昇華溫度，氦完全是化學惰性的。 熱氦可以在高溫下直接用作燃氣輪機中的工作流體，也可以用熱量來產生水循環的蒸汽。

液態金屬反應器：方案和操作原理

20世紀60年代和70年代，對具有鈉冷卻劑的快中子的反應堆受到高度關注。 那麼似乎他們在不久的將來再生 核燃料 的能力對於快速發展的核工業的燃料生產是必要的。 20世紀80年代，很明顯，這種期待是不現實的，熱情已經熄滅了。 不過，這種反應堆已經在美國，俄羅斯，法國，英國，日本和德國建成。 他們大多數工作於二氧化鈾或其二氧化钚混合物。 然而，在美國，金屬燃料取得了最大的成功。

CANDU

加拿大集中力量使用天然鈾反應堆。 這樣就無需豐富其他國家的服務。 這一政策的結果是氘 - 鈾反應堆（CANDU）。 其中的控制和冷卻是由重水生產的。 核反應堆的裝置和操作原理包括在大氣壓下使用冷D ₂ O的罐。 活性區域用來自天然鈾的燃料的鋯合金管道滲透，通過該管道重力水冷卻其循環。 通過將重水中裂變的熱量轉移到通過蒸汽發生器循環的冷卻流體來產生電力。 次級迴路中的蒸汽然後通過普通的渦輪循環。

研究裝置

進行科學研究，最常用的核反應堆，其原理是以組裝形式使用水冷和板狀鈾燃料電池。 能夠在幾千瓦到幾百兆瓦的功率範圍內運行。 由於發電不是研究堆的主要任務，它們的特徵在於產生的熱能，密度和核心中子的標稱能量。 這些參數有助於量化研究堆進行具體調查的能力。 低功率系統往往在大學中起作用，用於培訓，研究實驗室需要高功率的測試材料和特性，並進行一般性研究。

最常見的研究核反應堆，其結構和運行原理如下。 其活動區域位於一個帶有水的大盆地下部。 這簡化了可以引導中子束的通道的觀察和放置。 在低功率水平下，不需要泵送冷卻劑，因為為了保持安全的工作狀態，冷卻劑的自然對流確保了足夠的散熱。 熱交換器通常位於盆地的表面或上部，在那裡積聚有熱水。

船舶裝置

核反應堆的初步和主要應用是在潛艇中的應用。 它們的主要優點是，與化石燃料燃燒系統不同，它們不需要空氣來發電。 因此，原子潛艇可以長時間保持沉浸，傳統的柴油潛艇必須週期性地升高到地面，以便在空中起動發動機。 核能 給海軍艦艇帶來戰略優勢。 由於這種情況，在外國港口或易受傷害的油輪無需加油。

對核潛艇的核反應堆運行原則進行分類。 然而，眾所周知，在美國，它使用高濃縮鈾，而減輕和冷卻是由輕水產生的。 第一個USS鸚鵡螺核潛艇反應堆的設計受到強大的研究設施的強烈影響。 其獨特的功能是非常大的反應儲備，提供長時間的操作，無需加油和停止後重新啟動的能力。 潛艇的發電站必須非常安靜，以免發現。 為了滿足不同類別潛艇的具體需求，建立了不同型號的發電廠。

美國海軍航空母艦使用核反應堆，其運作原則相信是從最大的潛艇借來的。 他們的設計細節也沒有公佈。

除了美國，還有英國，法國，俄羅斯，中國和印度的核潛艇。 在每種情況下，設計都沒有披露，但相信它們都非常相似 - 這是對其技術特性的相同要求的結果。 俄羅斯也有一小 批核破冰船， 與蘇聯潛艇一樣，安裝了同樣的反應堆。

工業廠房

對於生產 武器級钚-239 ，使用了核反應堆，其工作原理是生產率高，能源生產水平低。 這是因為钚長期停留在核心，導致不希望的²⁴⁰ Pu的積累。

生產氚

目前，由這種系統獲得的主要材料是用於氫彈的氚（ ³ H或T） - 電荷 。 钚-29的半衰期長達24,100年，所以使用這種元素的具有核武庫的國家往往有更多的必要。 與²³⁹ Pu不同，氚的半衰期約為12年。 因此，為了保持必要的儲量，必須連續生產氫的放射性同位素。 例如在美國的薩凡納河（South Carolina），有幾個生產氚的重水堆。

浮動動力裝置

已經建成了核反應堆，可以為遠程隔離區域提供電力和蒸汽加熱。 例如，在俄羅斯，使用專門為北極定居點提供服務的小型發電廠。 在中國，一個10兆瓦的HTR-10設施為其所在的研究所提供熱電。 瑞典和加拿大正在開發具有相似能力的小型自動控制反應堆。 1960年至1972年間，美國陸軍使用緊湊型水反應堆在格陵蘭和南極提供遠程基地。 他們被黑油發電站所取代。

征服空間

此外，還開發了用於外層空間供電和運動的反應堆。 1967年至1988年期間，蘇聯爲宇宙系列衛星安裝了小型核設備，為設備和遙測提供動力，但這一政策成為批評的對象。 這些衛星中至少有一顆進入地球大氣層，導致加拿大偏遠地區的放射性污染。 美國在1965年僅發射了一顆帶有核反應堆的衛星。 然而，繼續開髮用於遠程太空任務的項目，其他行星的人造研究或永久月球基地的項目。 這將必然是一種氣體冷卻或液態金屬核反應堆，其物理原理將確保盡可能降低散熱器尺寸所需的最高溫度。 此外，空間技術的反應堆應盡可能緊湊，以盡量減少用於屏蔽的材料的數量，並減少發射和空間飛行過程中的重量。 燃料儲備將確保整個太空飛行期間反應堆的運行。