Kifaa na kanuni ya uendeshaji wa kinu cha nyuklia zinatokana na uanzishaji na udhibiti wa mmenyuko wa nyuklia unaojitegemea. Inatumika kama zana ya utafiti, kwa utengenezaji wa isotopu zenye mionzi, na kama chanzo cha nguvu kwa vinu vya nyuklia.
Kiyeyo cha nyuklia: jinsi kinavyofanya kazi (kwa ufupi)
Hapa, mchakato wa mgawanyiko wa nyuklia hutumiwa, ambapo kiini kizito hugawanyika na kuwa vipande viwili vidogo. Vipande hivi viko katika hali ya msisimko mkubwa na hutoa nyutroni, chembe nyingine ndogo ndogo na fotoni. Neutroni zinaweza kusababisha mgawanyiko mpya, kama matokeo ya ambayo nyutroni nyingi hutolewa, na kadhalika. Mfululizo huo unaoendelea wa kujitegemea wa mgawanyiko unaitwa mmenyuko wa mnyororo. Wakati huo huo, kiasi kikubwa cha nishati hutolewa, uzalishaji ambao ni madhumuni ya kutumia mitambo ya nyuklia.
Kanuni ya utendakazi wa kinu cha nyuklia na mtambo wa nyuklia ni kwamba takriban 85% ya nishati ya mtengano hutolewa ndani ya muda mfupi sana baada ya kuanza kwa athari. Zingine hutolewa ndanimatokeo ya kuoza kwa mionzi ya bidhaa za fission baada ya kutoa neutroni. Kuoza kwa mionzi ni mchakato ambao atomi hufikia hali thabiti zaidi. Inaendelea hata baada ya mgawanyiko kukamilika.
Katika bomu la atomiki, mmenyuko wa mnyororo huongezeka kwa kasi hadi nyenzo nyingi zigawanywe. Hii hufanyika haraka sana, ikitoa tabia ya milipuko yenye nguvu sana ya mabomu kama haya. Kifaa na kanuni ya uendeshaji wa reactor ya nyuklia inategemea kudumisha mmenyuko wa mnyororo katika kiwango kinachodhibitiwa, karibu mara kwa mara. Imeundwa kwa njia ambayo haiwezi kulipuka kama bomu la atomiki.
Maitikio ya msururu na umuhimu
Fizikia ya kinuklia cha mpasuko ni kwamba mmenyuko wa mnyororo hubainishwa na uwezekano wa mpasuko wa nyuklia baada ya utoaji wa neutroni. Ikiwa idadi ya watu wa mwisho hupungua, basi kiwango cha fission hatimaye kitashuka hadi sifuri. Katika kesi hii, reactor itakuwa katika hali ya subcritical. Ikiwa idadi ya neutroni huhifadhiwa kwa kiwango cha mara kwa mara, basi kiwango cha fission kitabaki imara. Reactor itakuwa katika hali mbaya. Na hatimaye, ikiwa idadi ya nyutroni inakua kwa muda, kasi ya mgawanyiko na nguvu itaongezeka. Msingi utakuwa wa uhakiki zaidi.
Kanuni ya utendakazi wa kinu cha nyuklia ni kama ifuatavyo. Kabla ya kuzinduliwa, idadi ya nyutroni iko karibu na sifuri. Kisha waendeshaji huondoa vijiti vya udhibiti kutoka kwa msingi, na kuongeza mgawanyiko wa nyuklia, ambayo hutafsiri kwa muda. Reactor kwa hali ya juu sana. Baada ya kufikia nguvu ya majina, waendeshaji hurejesha fimbo za udhibiti, kurekebisha idadi ya neutroni. Katika siku zijazo, reactor inadumishwa katika hali mbaya. Wakati inahitaji kusimamishwa, waendeshaji huingiza vijiti kabisa. Hii hukandamiza mgawanyiko na kuleta kiini katika hali ya uhakiki.
Aina za vinururisho
Mitambo mingi ya nyuklia duniani ni ya kuzalisha nishati, na hivyo kutoa joto linalohitajika kuwasha mitambo inayoendesha jenereta za nguvu za umeme. Pia kuna vinu vingi vya utafiti, na baadhi ya nchi zina nyambizi zinazotumia nyuklia au meli za juu.
mimea ya nguvu
Kuna aina kadhaa za vinu vya aina hii, lakini muundo wa maji mepesi umepata matumizi mapana. Kwa upande wake, inaweza kutumia maji yenye shinikizo au maji ya kuchemsha. Katika kesi ya kwanza, kioevu chini ya shinikizo la juu ni joto na joto la msingi na huingia jenereta ya mvuke. Huko, joto kutoka kwa mzunguko wa msingi huhamishiwa kwa sekondari, ambayo pia ina maji. Mvuke unaozalishwa hatimaye hutumika kama giligili inayofanya kazi katika mzunguko wa turbine ya mvuke.
Kiyeyeyusha aina ya mchemko hufanya kazi kwa kanuni ya mzunguko wa nishati wa moja kwa moja. Maji, kupitia eneo la kazi, huletwa kwa chemsha kwa kiwango cha wastani cha shinikizo. Mvuke uliojaa hupitia safu ya vitenganishi na vikaushio vilivyo kwenye chombo cha kiyeyea, ambacho huletahali ya joto kali. Kisha mvuke wa maji yenye joto kali hutumika kama kiowevu cha kufanya kazi kugeuza turbine.
Gesi ya Halijoto ya Juu Imepozwa
Kiyeyo cha Gesi Kilichopozwa na Joto la Juu (HTGR) ni kinusi cha nyuklia ambacho kanuni yake ya uendeshaji inategemea matumizi ya mchanganyiko wa grafiti na mikrosphere ya mafuta kama mafuta. Kuna miundo miwili inayoshindana:
- Mfumo wa "filler" wa Ujerumani unaotumia seli za mafuta zenye kipenyo cha mm 60, ambazo ni mchanganyiko wa grafiti na mafuta kwenye ganda la grafiti;
- Toleo la Marekani katika umbo la prism ya grafiti yenye pembe sita ambayo inashikana ili kuunda eneo amilifu.
Katika hali zote mbili, kipozezi huwa na heliamu kwa shinikizo la angahewa 100 hivi. Katika mfumo wa Ujerumani, heliamu hupitia mapengo katika safu ya vipengele vya mafuta ya spherical, na katika mfumo wa Marekani, kupitia mashimo kwenye prisms za grafiti ziko kando ya mhimili wa ukanda wa kati wa reactor. Chaguzi zote mbili zinaweza kufanya kazi kwa halijoto ya juu sana, kwani grafiti ina halijoto ya juu sana ya usablimishaji, ilhali heliamu haipitii kabisa kemikali. Heliamu ya moto inaweza kutumika moja kwa moja kama giligili inayofanya kazi katika turbine ya gesi yenye joto la juu, au joto lake linaweza kutumika kuzalisha mvuke wa mzunguko wa maji.
Kiyeyeyea nyuklia cha chuma kioevu: mpango na kanuni ya uendeshaji
Viyeyeyusha vya kasi ya neutroni vilivyo na kipozezi cha sodiamu vilizingatiwa sana miaka ya 1960 na 1970. Kishailionekana kwamba uwezo wao wa kuzalisha tena mafuta ya nyuklia katika siku za usoni ulikuwa muhimu kwa ajili ya uzalishaji wa mafuta kwa ajili ya sekta ya nyuklia inayoendelea kwa kasi. Ilipodhihirika katika miaka ya 1980 kwamba matarajio haya hayakuwa ya kweli, shauku ilififia. Walakini, mitambo kadhaa ya aina hii imejengwa huko USA, Urusi, Ufaransa, Uingereza, Japan na Ujerumani. Wengi wao hutumia dioksidi ya uranium au mchanganyiko wake na dioksidi ya plutonium. Hata hivyo, nchini Marekani, mafanikio makubwa yamekuwa na nishati ya metali.
CANDU
Kanada imeelekeza juhudi zake kwenye vinu vinavyotumia urani asilia. Hii inaondoa hitaji la uboreshaji wake ili kukimbilia huduma za nchi zingine. Matokeo ya sera hii yalikuwa kinu cha deuterium-uranium (CANDU). Udhibiti na baridi ndani yake unafanywa na maji nzito. Kifaa na kanuni ya uendeshaji wa kinu cha nyuklia ni kutumia tanki yenye baridi ya D2O kwenye shinikizo la angahewa. Msingi huchomwa na mabomba yaliyotengenezwa na aloi ya zirconium na mafuta ya asili ya urani, ambayo maji mazito huipoza. Umeme hutolewa kwa kuhamisha joto la mpasuko katika maji mazito hadi kwenye kipozeo ambacho husambazwa kupitia jenereta ya mvuke. Mvuke katika mzunguko wa pili kisha hupitia mzunguko wa kawaida wa turbine.
Tafiti usakinishaji
Kwa utafiti wa kisayansi, kinu cha nyuklia hutumiwa mara nyingi, kanuni ambayo ni kutumia kupoeza maji navipengele vya mafuta ya uranium lamellar kwa namna ya makusanyiko. Inaweza kufanya kazi kwa viwango vingi vya nishati, kutoka kilowati chache hadi mamia ya megawati. Kwa kuwa uzalishaji wa nguvu sio kazi kuu ya vinu vya utafiti, vinaonyeshwa na nishati ya joto inayozalishwa, msongamano na nishati ya kawaida ya neutroni katika msingi. Vigezo hivi ndivyo vinavyosaidia kutathmini uwezo wa kinu cha utafiti kufanya tafiti maalum. Mifumo ya nishati ya chini hutumiwa katika vyuo vikuu kwa madhumuni ya kufundisha, wakati mifumo ya nguvu ya juu inahitajika katika maabara ya R&D kwa majaribio ya nyenzo na utendakazi na utafiti wa jumla.
Kinu cha nyuklia cha utafiti kinachojulikana zaidi, muundo na kanuni ya uendeshaji ambayo ni kama ifuatavyo. Eneo lake la kazi liko chini ya bwawa kubwa la kina la maji. Hii hurahisisha uchunguzi na uwekaji wa njia ambazo mihimili ya neutroni inaweza kuelekezwa. Katika viwango vya chini vya nishati, hakuna haja ya kumwaga kipoeza, kwani upitishaji asilia wa kipozea hutoa utengano wa kutosha wa joto ili kudumisha hali salama ya uendeshaji. Kibadilisha joto kwa kawaida huwa juu ya uso au juu ya bwawa ambapo maji ya moto hujikusanya.
Safisha usakinishaji
Matumizi ya asili na makuu ya vinu vya nyuklia yapo kwenye nyambizi. Faida yao kuu nikwamba, tofauti na mifumo ya mwako wa mafuta ya kisukuku, haihitaji hewa kuzalisha umeme. Kwa hivyo, manowari ya nyuklia inaweza kubaki chini ya maji kwa muda mrefu, wakati manowari ya kawaida ya dizeli-umeme inapaswa kupanda mara kwa mara juu ya uso ili kuanzisha injini zake angani. Nguvu ya nyuklia inatoa faida ya kimkakati kwa meli za Jeshi la Wanamaji. Huondoa hitaji la kujaza mafuta kwenye bandari za kigeni au kutoka kwa meli za mafuta zilizo hatarini.
Kanuni ya utendakazi wa kinu cha nyuklia kwenye manowari imeainishwa. Walakini, inajulikana kuwa huko USA hutumia uranium iliyoboreshwa sana, na kupunguza kasi na baridi hufanywa na maji nyepesi. Muundo wa kinu cha kwanza cha manowari ya nyuklia ya USS Nautilus uliathiriwa sana na vifaa vya nguvu vya utafiti. Vipengele vyake vya kipekee ni ukingo mkubwa sana wa reactivity, ambayo inahakikisha muda mrefu wa operesheni bila kuongeza mafuta na uwezo wa kuanzisha upya baada ya kuacha. Ni lazima kituo cha umeme katika subs kiwe kimya sana ili kuzuia kutambuliwa. Ili kukidhi mahitaji mahususi ya aina tofauti za nyambizi, miundo tofauti ya mitambo ya kuzalisha umeme iliundwa.
Wabebaji wa ndege wa Jeshi la Wanamaji wa Merika hutumia kinu cha nyuklia, kanuni yake ambayo inaaminika kukopwa kutoka kwa manowari kubwa zaidi. Maelezo ya muundo wao pia hayajatolewa.
Mbali na Marekani, Uingereza, Ufaransa, Urusi, China na India zina nyambizi za nyuklia. Katika kila kisa, muundo haukufunuliwa, lakini inaaminika kuwa zote zinafanana sana - hiini matokeo ya mahitaji sawa kwa sifa zao za kiufundi. Urusi pia ina kundi ndogo la meli za kuvunja barafu zinazotumia nyuklia ambazo zina vinu sawa na manowari za Soviet.
Usakinishaji wa viwanda
Kwa utengenezaji wa plutonium-239 ya kiwango cha silaha, kinu cha nyuklia kinatumika, kanuni ambayo ni tija ya juu na kiwango cha chini cha uzalishaji wa nishati. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kukaa kwa muda mrefu kwa plutonium kwenye msingi husababisha mkusanyiko wa zisizohitajika 240Pu.
Uzalishaji wa Tritium
Kwa sasa, nyenzo kuu inayozalishwa na mifumo kama hii ni tritium (3H au T), chaji ya mabomu ya hidrojeni. Plutonium-239 ina nusu ya maisha ya muda mrefu ya miaka 24,100, hivyo nchi zilizo na silaha za nyuklia zinazotumia kipengele hiki huwa na zaidi kuliko zinavyohitaji. Tofauti na 239Pu, tritium ina nusu ya maisha ya takriban miaka 12. Kwa hivyo, ili kudumisha vifaa muhimu, isotopu hii ya mionzi ya hidrojeni inapaswa kuzalishwa kwa kuendelea. Nchini Marekani, Savannah River, Carolina Kusini, kwa mfano, ina vinu kadhaa vya maji vizito vinavyozalisha tritium.
vizio vya nishati vinavyoelea
Vinu vya nyuklia vimeundwa ambavyo vinaweza kutoa nishati ya umeme na mvuke katika maeneo ya mbali. Katika Urusi, kwa mfano, wamepata maombimitambo midogo ya kuzalisha umeme iliyoundwa mahsusi kuhudumia jamii za Aktiki. Nchini Uchina, kiwanda cha MW 10 cha HTR-10 hutoa joto na nguvu kwa taasisi ya utafiti kilipo. Vinu vidogo vinavyodhibitiwa vilivyo na uwezo sawa vinatengenezwa nchini Uswidi na Kanada. Kati ya 1960 na 1972, Jeshi la Merika lilitumia vinu vya maji kwa nguvu kuweka besi za mbali huko Greenland na Antaktika. Nafasi zao zimebadilishwa na mitambo ya kuzalisha umeme inayotumia mafuta.
Ugunduzi wa anga
Aidha, vinu vya umeme vimeundwa kwa ajili ya usambazaji wa nishati na harakati katika anga ya juu. Kati ya 1967 na 1988, Umoja wa Kisovyeti uliweka mitambo midogo ya nyuklia kwenye satelaiti za Kosmos kwa vifaa vya nguvu na telemetry, lakini sera hii ikawa lengo la kukosolewa. Angalau moja ya satelaiti hizi iliingia kwenye angahewa ya Dunia, na kusababisha uchafuzi wa mionzi katika maeneo ya mbali ya Kanada. Marekani ilirusha setilaiti moja tu ya nyuklia mwaka 1965. Walakini, miradi ya matumizi yao katika safari za anga za juu, uchunguzi wa sayari zingine, au kwa msingi wa kudumu wa mwezi unaendelea kuendelezwa. Itakuwa lazima kuwa umeme wa gesi-kilichopozwa au kioevu-chuma cha nyuklia, kanuni za kimwili ambazo zitatoa joto la juu iwezekanavyo muhimu ili kupunguza ukubwa wa radiator. Kwa kuongeza, reactor ya nafasi inapaswa kuwa compact iwezekanavyo ili kupunguza kiasi cha nyenzo kutumika kwakukinga, na kupunguza uzito wakati wa uzinduzi na safari ya anga. Hifadhi ya mafuta itahakikisha utendakazi wa kinu kwa muda wote wa safari ya anga.
