התקן ועיקרון הפעולה של כור גרעיני מבוססים על אתחול ובקרה של תגובה גרעינית המקיימת את עצמה. הוא משמש ככלי מחקר, לייצור איזוטופים רדיואקטיביים וכמקור כוח לתחנות כוח גרעיניות.
כור גרעיני: איך זה עובד (קצרה)
כאן נעשה שימוש בתהליך של ביקוע גרעיני, שבו גרעין כבד מתפרק לשני שברים קטנים יותר. שברים אלה נמצאים במצב נרגש מאוד ופולטים נויטרונים, חלקיקים תת-אטומיים אחרים ופוטונים. ניוטרונים עלולים לגרום לבקעים חדשים, וכתוצאה מכך נפלטים יותר נויטרונים וכן הלאה. סדרה מתמשכת כזו של פיצולים מכונה תגובת שרשרת. במקביל, משתחררת כמות גדולה של אנרגיה, שהפקתה מיועדת לשימוש בתחנות כוח גרעיניות.
עקרון הפעולה של כור גרעיני ותחנת כוח גרעינית הוא כזה שכ-85% מאנרגיית הביקוע משתחררת תוך פרק זמן קצר מאוד לאחר תחילת התגובה. השאר מיוצר בתוצאה של דעיכה רדיואקטיבית של תוצרי ביקוע לאחר שהם פולטים נויטרונים. ריקבון רדיואקטיבי הוא התהליך שבו אטום מגיע למצב יציב יותר. זה נמשך גם לאחר השלמת החלוקה.
בפצצת אטום, תגובת השרשרת גוברת בעוצמתה עד שרוב החומר מתפצל. זה קורה מהר מאוד, ומייצר את הפיצוצים החזקים ביותר האופייניים לפצצות כאלה. המכשיר ועקרון הפעולה של כור גרעיני מבוססים על שמירה על תגובת שרשרת ברמה מבוקרת, כמעט קבועה. הוא תוכנן בצורה כזו שהוא לא יכול להתפוצץ כמו פצצת אטום.
תגובת שרשרת וביקורתיות
הפיזיקה של כור ביקוע גרעיני היא שתגובת השרשרת נקבעת על פי ההסתברות לביקוע גרעיני לאחר פליטת נויטרונים. אם אוכלוסייתם של האחרונים תקטן, אזי קצב הביקוע יירד בסופו של דבר לאפס. במקרה זה, הכור יהיה במצב תת קריטי. אם אוכלוסיית הנייטרונים נשמרת ברמה קבועה, אזי קצב הביקוע יישאר יציב. הכור יהיה במצב קריטי. ולבסוף, אם אוכלוסיית הנייטרונים תגדל עם הזמן, קצב הביקוע והכוח יגדלו. הליבה תהפוך לסופר-קריטית.
עקרון הפעולה של כור גרעיני הוא כדלקמן. לפני השקתו, אוכלוסיית הנייטרונים קרובה לאפס. לאחר מכן המפעילים מסירים את מוטות הבקרה מהליבה, ומגבירים את הביקוע הגרעיני, שמתורגם באופן זמניהכור למצב סופר קריטי. לאחר הגעה להספק הנומינלי, המפעילים מחזירים חלקית את מוטות הבקרה, תוך התאמת מספר הנייטרונים. בעתיד, הכור נשמר במצב קריטי. כשצריך לעצור, המפעילים מכניסים את המוטות לגמרי. זה מדכא את הביקוע ומביא את הליבה למצב תת-קריטי.
סוגי כורים
רוב המתקנים הגרעיניים בעולם מייצרים אנרגיה, ומייצרים את החום הדרוש להפיכת טורבינות המניעות גנרטורים חשמליים. ישנם גם כורי מחקר רבים, ולחלק מהמדינות יש צוללות או ספינות שטח המונעות על ידי גרעין.
תחנות כוח
ישנם מספר סוגים של כורים מסוג זה, אך עיצוב המים הקל מצא יישום רחב. בתורו, הוא יכול להשתמש במים בלחץ או במים רותחים. במקרה הראשון, הנוזל בלחץ גבוה מחומם על ידי חום הליבה ונכנס למחולל הקיטור. שם, החום מהמעגל הראשוני מועבר אל המשני, המכיל גם מים. הקיטור שנוצר בסופו של דבר משמש כנוזל העבודה במחזור טורבינת הקיטור.
הכור הרותח פועל על עיקרון של מחזור אנרגיה ישיר. מים, העוברים דרך האזור הפעיל, מובאים לרתיחה ברמת לחץ ממוצעת. קיטור רווי עובר דרך סדרה של מפרידים ומייבשים הממוקמים בכלי הכור, ומביאים אותו למצב מחומם-על. אדי המים המחומם-על משמשים אז כנוזל עבודה לסיבוב טורבינה.
קירור גז בטמפרטורה גבוהה
The High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) הוא כור גרעיני שעיקרון הפעולה שלו מבוסס על שימוש בתערובת של גרפיט ומיקרוספירות דלק כדלק. ישנם שני עיצובים מתחרים:
- מערכת "מילוי" גרמנית המשתמשת בתאי דלק כדוריים בקוטר 60 מ"מ, שהם תערובת של גרפיט ודלק במעטפת גרפיט;
- גרסה אמריקאית בצורה של מנסרות משושות גרפיט שמתחברות זו לזו כדי ליצור אזור פעיל.
בשני המקרים, נוזל הקירור מורכב מהליום בלחץ של כ-100 אטמוספרות. במערכת הגרמנית, הליום עובר דרך פערים בשכבת יסודות הדלק הכדוריים, ובמערכת האמריקאית דרך חורים במנסרות גרפיט הממוקמות לאורך ציר האזור המרכזי של הכור. שתי האפשרויות יכולות לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד, שכן לגרפיט יש טמפרטורת סובלימציה גבוהה במיוחד, בעוד שההליום אינרטי לחלוטין מבחינה כימית. ניתן ליישם הליום חם ישירות כנוזל עבודה בטורבינת גז בטמפרטורה גבוהה, או להשתמש בחום שלו ליצירת קיטור ממחזור המים.
כור גרעיני מתכת נוזלית: תוכנית ועיקרון הפעולה
כורי נויטרונים מהירים עם נוזל קירור נתרן זכו לתשומת לב רבה בשנות ה-60 וה-70. לאחר מכןנראה היה כי יכולתם לשחזר דלק גרעיני בעתיד הקרוב נחוצה לייצור דלק לתעשייה הגרעינית המתפתחת במהירות. כשהתברר בשנות ה-80 שהציפייה הזו לא ריאלית, ההתלהבות דעכה. עם זאת, מספר כורים מסוג זה נבנו בארה ב, רוסיה, צרפת, בריטניה, יפן וגרמניה. רובם פועלים על אורניום דו חמצני או תערובת שלו עם פלוטוניום דו חמצני. אולם בארצות הברית, ההצלחה הגדולה ביותר הייתה עם דלקים מתכתיים.
CANDU
קנדה מיקדה את מאמציה בכורים המשתמשים באורניום טבעי. זה מבטל את הצורך בהעשרתו להיעזר בשירותים של מדינות אחרות. התוצאה של מדיניות זו הייתה כור הדאוטריום-אורניום (CANDU). הבקרה והקירור בו מתבצעים על ידי מים כבדים. המכשיר ועיקרון הפעולה של כור גרעיני הוא שימוש במיכל עם D2O קר בלחץ אטמוספרי. הליבה מנוקבת בצינורות העשויים מסגסוגת זירקוניום עם דלק אורניום טבעי, שדרכם מים כבדים מקררים אותה. חשמל מופק על ידי העברת חום הביקוע במים כבדים לנוזל קירור המוזרם דרך מחולל הקיטור. הקיטור במעגל המשני עובר לאחר מכן דרך מחזור הטורבינה הרגיל.
התקנות מחקר
למחקר מדעי, לרוב נעשה שימוש בכור גרעיני, שהעיקרון שלו הוא להשתמש בקירור מים וביסודות דלק אורניום למלרי בצורה של מכלולים. מסוגל לפעול בטווח רחב של רמות הספק, החל מכמה קילוואטים ועד למאות מגה וואט. מכיוון שייצור חשמל אינו המשימה העיקרית של כורי מחקר, הם מאופיינים באנרגיה התרמית הנוצרת, בצפיפות ובאנרגיה הנומינלית של נויטרונים בליבה. פרמטרים אלו הם שעוזרים לכמת את יכולתו של כור מחקר לבצע סקרים ספציפיים. מערכות הספק נמוך משמשות בדרך כלל באוניברסיטאות למטרות הוראה, בעוד שמערכות הספק גבוה נחוצות במעבדות מו פ לבדיקות חומרים וביצועים ומחקר כללי.
הכור הגרעיני המחקרי הנפוץ ביותר, שמבנהו ועיקרון פעולתו הם כדלקמן. האזור הפעיל שלו ממוקם בתחתית בריכת מים גדולה ועמוקה. זה מפשט את התצפית והמיקום של תעלות שדרכן ניתן לכוון קרני נויטרונים. ברמות הספק נמוכות, אין צורך לדמם את נוזל הקירור, מכיוון שההסעה הטבעית של נוזל הקירור מספקת פיזור חום מספיק כדי לשמור על מצב תפעול בטוח. מחליף החום ממוקם בדרך כלל על פני השטח או בחלק העליון של הבריכה שבה מצטברים מים חמים.
התקנות ספינה
השימוש המקורי והעיקרי בכורים גרעיניים הוא בצוללות. היתרון העיקרי שלהם הואשבניגוד למערכות בעירה של דלק מאובנים, הן אינן דורשות אוויר לייצור חשמל. לכן, צוללת גרעינית יכולה להישאר שקועה לפרקי זמן ארוכים, בעוד שצוללת דיזל-חשמלית קונבנציונלית חייבת לעלות מעת לעת לפני השטח כדי להפעיל את מנועיה באוויר. כוח גרעיני נותן יתרון אסטרטגי לספינות של חיל הים. זה מבטל את הצורך לתדלק בנמלים זרים או ממכליות פגיעות.
עקרון הפעולה של כור גרעיני על צוללת מסווג. עם זאת, ידוע שבארה ב הוא משתמש באורניום מועשר מאוד, וההאטה והקירור נעשים על ידי מים קלים. תכנון הכור הראשון של הצוללת הגרעינית USS Nautilus הושפע מאוד ממתקני מחקר רבי עוצמה. המאפיינים הייחודיים שלו הם מרווח תגובתיות גדול מאוד, המבטיח פרק זמן ארוך של פעולה ללא תדלוק ויכולת הפעלה מחדש לאחר עצירה. תחנת הכוח בצוללות חייבת להיות שקטה מאוד כדי למנוע זיהוי. כדי לענות על הצרכים הספציפיים של סוגים שונים של צוללות, נוצרו דגמים שונים של תחנות כוח.
נושאות המטוסים של חיל הים האמריקאי משתמשות בכור גרעיני, שהעיקרון שלו מושאל מהצוללות הגדולות ביותר. גם פרטי העיצוב שלהם לא פורסמו.
בנוסף לארה ב, לבריטניה, לצרפת, לרוסיה, לסין ולהודו יש צוללות גרעיניות. בכל אחד מהמקרים, העיצוב לא נחשף, אך מאמינים שכולם דומים מאוד - זההוא תוצאה של אותן דרישות למאפיינים הטכניים שלהם. לרוסיה יש גם צי קטן של שוברות קרח המונעות על ידי גרעיני, שיש להם אותם כורים כמו צוללות סובייטיות.
התקנות תעשייתיות
לייצור פלוטוניום-239 בדרגת נשק, נעשה שימוש בכור גרעיני, שהעיקרון שלו הוא פרודוקטיביות גבוהה עם רמה נמוכה של ייצור אנרגיה. זאת בשל העובדה שהשהות ארוכה של פלוטוניום בליבה מובילה להצטברות לא רצויות של 240Pu.
הפקת טריטיום
כיום, החומר העיקרי המיוצר על ידי מערכות כאלה הוא טריטיום (3H או T), המטען לפצצות מימן. לפלוטוניום-239 יש זמן מחצית חיים ארוך של 24,100 שנים, כך שמדינות עם מחסניות נשק גרעיניות המשתמשות באלמנט זה נוטות להחזיק יותר ממנו ממה שהן זקוקות לו. בניגוד ל-239Pu, לטריטיום יש זמן מחצית חיים של כ-12 שנים. לפיכך, על מנת לשמור על האספקה הדרושה, יש לייצר באופן רציף את האיזוטופ הרדיואקטיבי הזה של מימן. בארה ב, בסוואנה ריבר, דרום קרוליינה, למשל, יש כמה כורי מים כבדים שמייצרים טריטיום.
יחידות כוח צפות
נוצרו כורים גרעיניים שיכולים לספק חשמל וחימום קיטור לאזורים מבודדים מרוחקים. ברוסיה, למשל, מצאו יישוםתחנות כוח קטנות שתוכננו במיוחד לשרת קהילות ארקטיות. בסין, מפעל HTR-10 של 10 מגה-וואט מספק חום וכוח למכון המחקר שבו הוא ממוקם. כורים מבוקרים קטנים עם יכולות דומות מפותחים בשוודיה ובקנדה. בין 1960 ל-1972, צבא ארה ב השתמש בכורי מים קומפקטיים כדי להפעיל בסיסים מרוחקים בגרינלנד ובאנטארקטיקה. הם הוחלפו בתחנות כוח מופעלות נפט.
חקירת חלל
בנוסף, פותחו כורים לאספקת חשמל ותנועה בחלל החיצון. בין 1967 ל-1988 התקינה ברית המועצות מתקנים גרעיניים קטנים בלווייני קוסמוס כדי להפעיל ציוד וטלמטריה, אך מדיניות זו הפכה ליעד לביקורת. לפחות אחד מהלוויינים הללו נכנס לאטמוספירה של כדור הארץ, והביא לזיהום רדיואקטיבי של אזורים מרוחקים בקנדה. ארצות הברית שיגרה רק לוויין אחד המופעל על ידי גרעיני ב-1965. עם זאת, ממשיכים להתפתח פרויקטים לשימושם בטיסות בחלל עמוק, בחקירה מאוישת של כוכבי לכת אחרים או בבסיס ירח קבוע. זה יהיה בהכרח כור גרעיני מקורר בגז או מתכת נוזלית, שעקרונותיו הפיזיקליים יספקו את הטמפרטורה הגבוהה ביותר האפשרית הדרושה כדי למזער את גודל הרדיאטור. בנוסף, כור חלל צריך להיות קומפקטי ככל האפשר כדי למזער את כמות החומר המשמשמיגון, ולהפחתת משקל במהלך שיגור וטיסה לחלל. עתודת הדלק תבטיח את פעולת הכור לכל תקופת הטיסה לחלל.
