close

Kjernereaktor

Gå til navigasjon Gå til søk
Image
Kjernekraftverk i Kewaunee, Wisconsin .

En atomreaktor er en enhet hvor en kjernefysisk kjedereaksjon skjer på en kontrollert måte. Det kan brukes til å skaffe energi i såkalte atomkraftverk, produksjon av spaltbare materialer, som plutonium, som skal brukes i atomvåpen, kjernefysisk fremdrift av skip eller kunstige satellitter, eller forskning. Et kjernekraftverk kan ha flere reaktorer. Foreløpig produserer bare kjernefysiske fisjonsreaktorer kommersielt kraft , selv om det eksisterer eksperimentelle kjernefusjonsreaktorer . Det kan også sies at det er et fysisk anlegg hvor en kjernefysisk kjedereaksjon produseres, vedlikeholdes og kontrolleres. Derfor brukes et passende brensel i en atomreaktor for å sikre normal produksjon av energi generert av de påfølgende fisjonene. Noen reaktorer kan spre varmen fra fisjon, men andre bruker varmen til å produsere elektrisk energi.

Kraften til en kjernefysisk fisjonsreaktor kan variere fra noen få termiske kW til omtrent 4500 termiske MW (1500 "elektriske" MW). De må installeres i områder nær vann, som ethvert termisk kraftverk, for å kjøle ned kretsen, og de må plasseres i seismisk stabile områder for å unngå ulykker. De har gode sikkerhetstiltak. De slipper ikke ut gasser som skader atmosfæren, men de produserer radioaktivt avfall som varer i titusenvis av år, og som må lagres for senere bruk i avanserte reaktorer og dermed redusere levetiden til noen hundre år.

Den første atomreaktorprototypen ble bygget av Enrico Fermi , men den var ikke den første som fungerte på jorden. Oklo atomreaktoren ( Gabon ) presenterer bevis [ 1 ] på at naturlige atomreaksjoner skjedde på jorden for rundt 2 milliarder år siden.

Applikasjoner

Atomfisjonsreaktor

Se også: Kjernefysisk fisjon

En kjernefysisk fisjonsreaktor består av følgende essensielle deler:

  1. Drivstoff - Spaltbar (delbar) eller fruktbar isotop (kan omdannes til spaltbar ved nøytronaktivering ): Uran-235 , Uranium-238 , Plutonium -239 , Thorium -232, eller blandinger av disse ( MOX , Blanding av uran og plutoniumoksider). Det vanlige drivstoffet i lette vannkjølte anlegg er anriket urandioksid, hvor omtrent 3 % av urankjernene er U-235 og resten er U-238. Andelen U-235 i naturlig uran er bare 0,72 %, så det er nødvendig å utsette det for en anrikningsprosess i denne nukliden.
  2. Moderator (kjernefysisk) .- Vann , tungtvann , grafitt , metallisk natrium : De fyller funksjonen med å bremse hastigheten til nøytroner produsert ved fisjon, slik at de har mulighet til å samhandle med andre spaltbare atomer og opprettholde reaksjonen. Som en generell regel, jo lavere hastighet nøytronet er, desto mer sannsynlig er det å fisjon med andre brenselkjerner i reaktorer som bruker uran-235 som brensel.
  3. Kjølemiddel.- Vann, tungtvann, karbondioksid , helium , metallisk natrium: Det leder varmen som genereres til en varmeveksler , eller direkte til turbinen som genererer elektrisk energi eller fremdrift .
  4. Reflektor .- Vann, tungtvann, grafitt, uran: reduserer utslipp av nøytroner og øker effektiviteten til reaktoren.
  5. Skjerming.- Betong , bly , stål , vann: Forhindrer utslipp av gammastråling og raske nøytroner.
  6. Kontrollmateriale.- Kadmium eller bor : får kjedereaksjonen til å stoppe. De er veldig gode absorbere av nøytroner. De brukes vanligvis i form av stenger eller oppløst i kjølevæsken.
  7. Sikkerhetselementer.- Alle fisjonsatomkraftverk har, siden 2007, flere systemer, aktive (de reagerer på elektriske signaler), eller passive (de virker naturlig, for eksempel av tyngdekraften). Betonginneslutningen rundt reaktorene er den viktigste. De forhindrer at ulykker skjer, eller at det, dersom de skulle inntreffe, ikke frigjøres radioaktivitet utenfor reaktoren.

Typer kjernefysiske fisjonsreaktorer

Det er flere grunnleggende typer i 2012: [ 2 ]

LWR - Light Water Reactors : bruk vann som kjølevæske og moderator. Som drivstoffanriket uran . De mest brukte er PWR ( trykkvannsreaktorer ) og BWR ( kokende vannreaktorer ): 264 PWR og 94 BWR i drift i 2007.

CANDU - Canada Deuterium Uran (Canada deuterium uranium): De bruker tungtvann som moderator og kjølevæske (sammensatt av to atomer av deuterium og ett av oksygen ). De bruker naturlig uran som drivstoff: 43 i drift i 2007.

FBR - Fast Breeder Reactors (fast feedback reactors): de bruker raske nøytroner i stedet for termiske for å oppnå fisjon. Den bruker plutonium som drivstoff og flytende natrium som kjølevæske . Denne reaktoren trenger ikke moderator: 4 i drift i 2007. Kun en i drift.

AGR - Advanced Gas-cooled Reactor : bruker uran som drivstoff. Den bruker CO 2 som kjølevæske og grafitt som moderator : 18 i drift i 2007.

RBMK - Bolshoy Moshchnosty Kanalny Reactor (High Power Channel Reactor): Bruker grafitt som moderator og vann som kjølevæske. Anriket uran som drivstoff. Den kan lades opp mens du er på farten. Den har en positiv reaktivitetskoeffisient. Tsjernobyl- reaktorenvar av denne typen. Det var 12 i drift i 2007.

FBNR Fixed Bed Reactor, en fast seng reaktor er en 4 generasjons modulreaktor, hvor brenselkammeret er separert fra reaksjonskammeret.

ADS - Accelerator Driven System ( akseleratorassistert system ): bruker en subkritisk masse av thorium , hvor fisjon kun skjer ved innføring, ved hjelp av nøytronpartikkelakseleratorer , i reaktoren. De er i eksperimentell fase, og det forventes at en av deres grunnleggende funksjoner vil være eliminering av kjernefysisk avfall produsert i andre fisjonsreaktorer.

Fordeler med kjernefysiske fisjonsreaktorer

En av fordelene med dagens atomreaktorer er at de nesten ikke slipper ut forurensninger til luften (selv om små mengder radioaktive gasser dukker opp med jevne mellomrom), og avfallet som produseres er mye mindre i volum og mer kontrollert enn avfallet som genereres av atomdrevet planter, fossiler. I disse konvensjonelle termiske kraftverkene som bruker fossilt brensel (kull, olje eller gass), slippes det ut klimagasser (hovedsakelig CO 2 ), gasser som produserer sur nedbør (hovedsakelig SO 2 ), karbon, tungmetaller, tusenvis av tonn aske, og til og med konsentrert naturlig radioaktivt materiale (NORM). I et kjernekraftverk er det faste avfallet som genereres i størrelsesorden en million ganger mindre i volum enn forurensningene fra termiske kraftverk.

Det anrikede uranet som brukes i atomkraftverk er ikke egnet til å bygge et atomvåpen eller til å bruke uran fra dem. For dette er reaktorene designet i høye anrikningssykluser eller design som RBMK-type reaktorer brukt til generering av plutonium brukes.

Nylig har assisterte fisjonsanlegg blitt undersøkt , der deler av de farligste restene ville bli ødelagt ved bombardement med partikler fra en akselerator (sannsynligvis protoner) som ville produsere nøytroner ved spallasjon , som igjen ville forårsake transmutasjon av de farligere isotopene. Dette ville være et slags selvvedlikeholdsanlegg for radioaktivt avfallsnøytralisering. Ytelsen til disse anleggene ville i utgangspunktet være lavere, siden deler av energien som genereres vil bli brukt til omdannelse av avfall. Byggingen av den første transmutasjonsreaktoren (Myrrha) er beregnet å starte i år 2040 .


Ulemper med kjernefysiske fisjonsreaktorer

Faren for befolkningen stammer fra flere faktorer: 1) en ulykke ved et atomkraftverk, 2) et terrorangrep, 3) faren for avfallet og dets høye forurensende kraft i miljøet, 4) atomdeponier, 5) evt. omledning av avfallet til produksjon av masseødeleggelsesvåpen.

Atomreaktorer genererer radioaktivt avfall . Noen av dem med høy halvperiode , som americium , neptunium eller curium og svært giftige. Kritikere av kjernekraft understreker faren ved dette avfallet som varer i hundrevis og til og med tusenvis av år.

Noen atomreaktorer ble brukt til å generere plutonium 239 brukt i atomvåpen . Sivile reaktorer genererer plutonium, men plutonium 239 (påkrevd i atomvåpen) ser ut til å være blandet med høye andeler plutonium 240, 238 og 242, noe som gjør det umulig for militær bruk.

De alvorligste atomulykkene har vært: Mayak (Russland) i 1957, Windscale (Storbritannia) i 1957, Three Mile Island (USA) i 1979, Tsjernobyl (Ukraina) i 1986, Tokaimura (Japan) i 1999 og Fukushima (Japan) ). ) 2011.

Faren for atomavfall er et svært kontroversielt tema. Disse er vanligvis assosiert med generering av kjernefysisk fisjonsenergi, men det er utallige radioaktive kilder som brukes til ulike bruksområder som også er begravd på kjernefysiske kirkegårder. De fleste land har nasjonale selskaper som har ansvaret for å håndtere dette avfallet.I Spania betaler atomkraftverkene en avgift som går til et fond for håndtering av dette avfallet og demontering av atomkraftverkene når de avslutter sin livssyklus. For tiden er det et definitivt lagringsanlegg for nedgraving av brukt brensel ( Onkalo Spent Nuclear Fuel Storage Facility ) Før ble de vanligvis oppbevart i bassenger på samme reaktorplasser eller i sentraliserte lagringsanlegg. For mange er dette det rimeligste alternativet siden det brukte brenselet beholder 95 % av uranet, noe som vil tillate gjenbruk i fremtiden. Faktisk gjør noen land det allerede, men teknikken er dyr. BN-800 atomreaktoren , som har en bror på 1200 MW ( BN-1200 Nuclear Reactor ) under bygging, hvis mål er å gjøre lønnsomt og lage en kommersiell modell av en reaktor som lever av kjernefysisk avfall, reduserer radioaktiviteten og på slutten av syklusen i denne typen av reaktoren, for å være klar til å brukes igjen i en konvensjonell atomreaktor, vil denne syklusen bli gjentatt til uran og plutonium i kjernebrenselet er oppbrukt, noe som vil gjøre det til avfall igjen, med unntak av at radioaktiviteten vil være betydelig mindre.

Kjernefysisk fusjonsreaktor

Se også: Kjernefysisk fusjon

Installasjon beregnet for produksjon av energi gjennom kjernefysisk fusjon . Etter mer enn 60 års forskning på dette feltet har det vært mulig å opprettholde en kontrollert reaksjon, selv om det ennå ikke er energisk lønnsomt.

Den største vanskeligheten er å motstå det enorme trykket og temperaturen som kjernefysisk fusjon krever (som bare finnes naturlig i kjernen av en stjerne ). I tillegg krever denne prosessen en enorm innledende energiinjeksjon (selv om den senere kan være selvopprettholdende siden energien som frigjøres er mye større)

Det er for tiden to forskningslinjer, treghet innesperring og magnetisk innesperring .

Treghetsbegrensning består av å holde sammensmeltingen ved å skyve partikler eller laserstråler som projiseres mot en drivstoffpartikkel, noe som forårsaker dens øyeblikkelige antennelse.

De to viktigste prosjektene på verdensbasis er NIF (National Ignition Facility) i USA og LMJ (Laser Mega Joule) i Frankrike.

Magnetisk inneslutning består i å inneholde materialet som skal smeltes sammen i et magnetfelt mens det er laget for å nå nødvendig temperatur og trykk. Hydrogen ved disse temperaturene når plasmatilstanden .

De første amerikanske magnetiske modellene kjent som Stellarator genererte feltet direkte i en toroidal reaktor , med problemet at plasmaet lekket mellom feltlinjene.

Russiske ingeniører forbedret denne modellen og ga plass til Tokamak der en primærspolevikling induserte feltet på plasmaet, utnyttet dens ledningsevne og faktisk brukte den som en sekundærvikling. I tillegg varmet den elektriske motstanden til plasmaet det opp.

Den største reaktoren av denne typen, JET ( joint European bull ) har oppnådd kjernefysiske fusjonsforhold med en faktor Q>0,7. Dette betyr at forholdet mellom energien som genereres ved fusjon og den som kreves for å opprettholde reaksjonen er 0,7. For at reaksjonen skal være selvopprettholdende, må parametere høyere enn Q>1 nås og enda mer for dens økonomiske levedyktighet. Det første målet skal nås med ITER -prosjektet og det andre med DEMO .

Opprettelsen av en enda større reaktor, ITER , har blitt lovet, som forener den internasjonale innsatsen for å oppnå fusjon. Selv i tilfelle å oppnå det, ville det fortsatt være en eksperimentell reaktor og en annen prototype måtte bygges for å teste kraftproduksjon, det såkalte DEMO -prosjektet .

Mulig brensel for atomfusjonsreaktorer

Den optimale reaksjonen for å produsere energi ved fusjon er den for deuterium og tritium på grunn av dens høye effektive seksjon . Det er derfor også den mest brukte i eksperimentelle tester. Reaksjonen er som følger:

D + T → 4 He + n

Å skaffe deuterium er ikke vanskelig siden det er et stabilt og rikelig grunnstoff som ble dannet i store mengder i ursuppen av partikler (se Big Bang ). I vann har en del per 6500 deuterium i stedet for hydrogen, så det anses at det er en uuttømmelig reserve av deuterium. I en selvopprettholdende reaktor ville deuterium-tritium-reaksjonen generere energi og nøytroner. Nøytronene er den negative delen av reaksjonen og må kontrolleres siden nøytronfangsreaksjonene i reaktorens vegger eller i et hvilket som helst atom i reaktanten kan indusere radioaktivitet . Faktisk kan nøytronene, gitt nok tid, svekke selve beholderens struktur med påfølgende risiko for farlige sprekker. For dette er det moderatorer og nøytronskjold som tungtvann , beryllium , natrium eller karbon som moderatorer mye brukt i fisjonsanlegg, eller bor og kadmium , brukt som produkter som fullstendig stopper nøytroner ved å absorbere dem. Hvis du vil lage en virkelig ren reaktor, må du se etter andre formler. En dobbel løsning på nøytronproblemet og tritiumoverflodsproblemet har blitt foreslått. Tritium finnes ikke i naturen da det er ustabilt, så det må produseres. For å få det, kan man ty til fisjonsanlegg, hvor det kan genereres ved å aktivere hydrogenet som finnes i vannet, eller ved å bombardere litium , et rikelig materiale i jordskorpen, med nøytroner.

6 Li + n → 4 He + T
7 Li + n → 4 He + T + n

Det er to stabile isotoper av litium, litium-6 og litium-7, sistnevnte er mye mer rikelig. Dessverre er reaksjonen som absorberer nøytroner den med litium-6, den minst rikelig. Alt dette hindrer ikke mange nøytroner i å påvirke veggene til selve reaktoren med påfølgende produksjon av radioaktive atomer. Til tross for dette er et av forslagene til ITER å dekke veggene med litium-6 som ville stoppe en god del av nøytronene for å produsere mer tritium. På grunn av alle disse problemene undersøkes andre, men renere reaksjoner med høyt tverrsnitt . En av de mest lovende er deuterium pluss helium -3.

D + ³He → 4 He + s

Problemet i denne reaksjonen ligger i den mindre effektive seksjonen med hensyn til deuterium-tritium og i å oppnå helium-3 i seg selv, som er den sjeldneste isotopen av nevnte element . Protoner utgjør ikke like stor fare som nøytroner siden de ikke lett vil bli fanget opp av atomer på grunn av Coulomb-barrieren de må krysse, noe som ikke skjer med nøytralt ladede partikler som nøytroner. I tillegg kan et proton manipuleres av elektromagnetiske felt. En løsning for å oppnå helium-3 kunstig ville være å inkorporere deuterium-deuterium-reaksjonen i selve reaktoren.

D + D → ³He + n

Problemet er at vi igjen får et gjenværende nøytron, som bringer oss tilbake til nøytronproblemet. Kanskje nøkkelen var å skaffe naturlig helium-3, men det er ekstremt sjeldent på jorden. Husk at den lille naturlige helium-3 som produseres av radioaktivitet har en tendens til å rømme fra vår tette atmosfære. Det merkelige er at denne isotopen er rikelig på Månen . Den er spredt over overflaten og kommer fra solvinden som i milliarder av år har badet den nakne måneoverflaten med sine ioniserte partikler. Dette måneheliumet kan i fremtiden være nøkkelen til fusjonsreaktorer.

I mellomtiden forskes det på materialer som, selv om de er aktivert, bare gir opphav til isotoper med kort halveringstid, og dermed lar disse materialene hvile i en kort periode, de kan betraktes som konvensjonelle (ikke-radioaktive ) Avfall. Hovedproblemet vil uansett fortsette å være vanskeligheten med å holde kjernerammen i god stand uten at den forringes og må skiftes av og til.

Se også

Referanser

  1. ↑ Atomreaktorer fra 2 milliarder år siden og universets konstanter
  2. ↑ Antall reaktorer av hver type i verden (på engelsk)

Eksterne lenker

Hentet fra « https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Reactor_nuclear&oldid=144061938 »