Chimie nucleară

Reactoarele nucleare
Dr. Frank Settle

Introducere

Astazi multe naţiuni au în vedere un rol mai extins pentru energia nucleară în portofoliile lor de energie. Această expansiune este determinată de preocupările legate de încălzirea globală, creşterea cererii de energie, precum şi costurile relative ale surselor de energie alternative. În 2008, 435 reactoare nucleare în 30 de ţări au furnizat 16% din electricitate din lume. În ianuarie 2009, 43 de reactoare au fost în construcţie în 11 ţări, cu câteva sute mai preconizează de a veni pe linia la nivel global până în 2030.

O nucleară Power Plant

Prin amabilitatea de Controale R2

Reactoare nucleare produc energie printr-o reactie controlata de fisiune în lanţ (a se vedea Chain Reaction Prima ). În timp ce majoritatea reactoarelor genera energie electrica, unele pot produce, de asemenea, plutoniu pentru arme şi combustibil reactor. Reactoare de putere se folosi energia termică de la fisiune pentru a produce abur, care se transformă turbine pentru a genera electricitate. În acest sens, ele sunt similare cu plante alimentata de cărbune şi gaze naturale. Componentele comune tuturor reactoarelor nucleare includ un ansamblu de combustibil, bare de control, un lichid de răcire, un vas sub presiune, o structură de izolare, precum şi o instalaţie de răcire extern.

Viteza de neutroni în reacţia în lanţ determină tipul de reactor (figura 1). Reactoare termice utilizează neutronii lenţi pentru a menţine reacţia. Aceste reactoare necesita un moderator pentru a reduce viteza de neutroni produse de fisiune. Reactoare rapid neutroni, de asemenea, cunoscut sub numele de reactoare amelioratorului rapid (FBR), utilizarea de mare viteză, neutronii nemoderat pentru a susţine reacţie în lanţ.

Figura 1 - Tipuri de reactoare nucleare

Reactoare termice funcţionează pe principiul că uraniu-235 suferă de fisiune mai uşor cu neutroni lent decât cu cele rapide. Apă uşoară (H2O), apă grea (D2O), şi de carbon sub formă de grafit sunt cele mai comune moderatori. Deoarece reactoarele lent neutroni sunt foarte eficiente in producerea de fisiune în uraniu-235, pe care o folosesc ansamblurilor de combustibil, conţinând fie uraniu natural (0,7% U-235) sau uraniu îmbogăţit uşor (0,9 la 2,0% U-235) de combustibil. Lansete compus din neutroni-un material absorbant, cum ar fi cadmiu sau bor sunt inserate în ansamblul de combustibil. Poziţia de aceste bare de control în miezul reactorului determină rata de reacţie de fisiune în lanţ. Lichidului de răcire este un lichid sau gaz care elimină căldura din centrul şi produce abur pentru a conduce turbine. În reactoare cu apă uşoară utilizând fie sau apei grele, a lichidului de răcire, de asemenea, serveşte ca moderator. Reactoare angajarea răcire gazos (CO2 sau El), utilizarea grafit ca moderator. Vas sub presiune, din grele din oţel, deţine miezul reactorului conţine ansamblul de combustibil, tije de control, moderator, şi de răcire. Structura de izolare, compus din beton şi oţel gros, inhibă eliberarea de radiaţii în caz de accident şi asigură, de asemenea, componente ale reactorului de la potenţialii intruşi. În cele din urmă, componentele cele mai evidente ale multor plante nucleare sunt turnuri de răcire, componentele externe, care asigură apa rece pentru condensare pentru abur pentru a apei pentru reciclare în structura de izolare. Turnuri de răcire sunt, de asemenea, angajat cu cărbune şi centralele de gaze naturale.

Reactor Fundamentele

Este important să realizăm că, în timp ce fisiunii U-235 în ansamblul de combustibil al unui reactor termic este în curs, unele dintre fertil U-238 prezente în ansamblu absoarbe neutroni, de asemenea, să producă fisiune Pu-239. Aproximativ o treime din energia produsa de un reactor de energie termică provine de la fisiunea acest plutoniu. Reactoare de putere şi cele utilizate pentru a produce plutoniu pentru arme funcţionează în moduri diferite de a atinge obiectivele lor. Reactoare de producţie produc mai puţină energie şi, astfel, consumă mai puţin combustibil decât reactoarele de putere. Eliminarea ansamblurilor de combustibil dintr-un reactor de producţie este temporizat pentru a maximiza cantitatea de plutoniu din combustibilul uzat (Figura 2). Tije de combustibil sunt eliminate din reactoare de producţie, după numai câteva luni, în scopul de a recupera valoarea maximă de plutoniu-239. Ansamblurilor de combustibil rămân în interiorul unui reactoare de putere de până la trei ani pentru a maximiza energia produsă. Cu toate acestea, este posibil să se recupereze unele plutoniu din ansamblurilor de combustibil uzat unui reactor de putere.

Figura 2 - Soarta plutoniu într-un reactor termică

Puterea de ieşire sau capacitatea unui reactor folosit pentru a genera energie electrică se măsoară în megawaţi de energie electrică, MW (e). Cu toate acestea, din cauza ineficienţei de conversie a căldurii în energie electrică, acestea reprezinta doar aproximativ o treime din energia termică totală, MW (t), produse de reactor. Producţia de plutoniu este legată de MW (t). Un reactor de producţie care operează la 100 MW (t) poate produce 100 de grame de plutoniu pe zi sau de ajuns pentru o arma la fiecare două luni.

O alta proprietate importanta a unui reactor este factor de capacitate. Acesta este raportul dintre producţia efectivă de energie electrică pentru o perioadă de timp pentru a producţiei sale dacă ar fi fost operat la capacitate maximă. Factor de capacitate este afectată de timpul necesar pentru întreţinere şi reparaţii şi pentru demontarea şi înlocuirea ansamblurilor de combustibil. Factorul de capacitate medie pentru reactoarele din SUA a crescut de la 50% la inceputul anilor 1970 la peste 90% în prezent. Această creştere a producţiei din reactoarele existente şi-a păstrat de energie electrică la preţuri accesibile.

Reactoarele termice

În prezent, majoritatea centralelor nucleare din lume sunt apă-moderate, reactoarele termice. Acestea sunt clasificate fie ca apa usoara sau reactoare apa grea. Reactoare cu apă uşoară utilizarea de apă purificată naturale (H2O), astfel cum a lichidului de răcire / moderator, in timp ce reactoarele de apa grea folosesc apa grea, oxid de deuteriu (D2O). În reactoare cu apă uşoară, apa este fie presaţi să-l păstraţi în formă supraîncălzit (într-un reactor cu apă sub presiune, PWR), sau permisiunea de a vaporiza, formând un amestec de apă şi abur (într-un reactor cu apă de fierbere, BWR). Într-un PWR (Figura 3), apa supraincalzita care curge prin tuburi, în miezul reactorului transferă căldura generată de fisiune într-un schimbător de căldură, care produce abur secundar într-o buclă pentru a genera electricitate. Nici unul dintre apa care curge prin miezul reactorului părăseşte structura de izolare. Într-un BWR (Figura 4), apa care curge prin miezul este convertit în direct la abur şi lasă structura de izolare a conduce turbine. Reactoare cu apă uşoară utilizarea uraniului slab îmbogăţit drept combustibil. Îmbogăţit de combustibil este necesar din cauza apă naturală absoarbe o parte din neutroni, reducerea numărului de fissions nucleare. Toate cele 103 centrale nucleare în Statele Unite sunt uşoare reactoare cu apă; 69 sunt PWRs şi 34 sunt BWRs.

Figura 3 - Reactor apei sub presiune

Prin amabilitatea Centrului de Informare uraniului

Figura 4 - Reactor de apă de fierbere

(1) de bază din interiorul vasului reactorului creează căldură, (2) un amestec de apă cu abur este produs atunci când apă foarte pură (reactor de racire) se mişcă în sus, prin bază, absorbţie de căldură, (3) amestec de abur-apă frunze de top de bază şi intră în două etape de separare de umiditate în cazul în care picăturile de apă sunt îndepărtate înainte de abur este permis să intre în linie cu abur, şi (4) linia de abur conduce cu abur la turbina principal, facandu-l pentru a porni generatorul turbinei, care produce energie electrică.

Courtesy of nuclear american de reglementare a Comisiei

Reactoare de apa grea D2O utiliza ca lichid de racire / moderator, permiţând uraniul natural, neamenajate care urmează să fie utilizat ca şi combustibil. Acest lucru este posibil deoarece D2O absoarbe neutroni mai puţin de H2O. Sistemul de transfer termic este similara cu cea a PWR, cu generator de abur situate în interiorul structurii de izolare. Reactor de apă grea se arată în figura 5, cunoscut sub numele de tip CANDU, a fost dezvoltat în Canada şi vândute la nivel global. Avantaj de cost al combustibilului este compensată prin cheltuiala de a produce D2O printr-un proces de schimb chimic sau electroliză. Ansamblurile individuale de combustibil al unui reactor de apă grea poate fi înlocuit fără închiderea reactorului, eliminându-se astfel timpul de stabilire a implicat realimentării cu un reactor de apă uşoară. Cu toate acestea, combustibil uzat produs de un reactor de apă grea conţine mai mult plutoniu şi tritiu decât cea de la reactoarele cu apa usoara. Acest lucru, împreună cu dificultate într-un reactor de monitorizare continuu alimentat, provoacă îngrijorări cu privire la proliferarea armelor nucleare. Astfel, apa grea este clasificat ca un "material sensibil", deoarece posedă o naţiune se poate produce plutoniu direct din uraniu natural, eliminând nevoia de îmbogăţire a uraniului.

Figura 5 - Reactor apă grea

Prin amabilitatea de Atomic Energy of Canada Limited

Un alt tip de reactor termic este răcită grafit moderat şi gaze. Douăzeci şi şase reactoare Magnox (Figura 6), angajarea de dioxid de carbon sub presiune, ca lichidul de răcire, au fost construite în Regatul Unit, dar sunt în prezent în curs de suprimare a serviciului. Aceste reactoare gaz răcit au aceleaşi avantaje ca reactoare cu apă grea, în care le pot folosi combustibil de uraniu natural şi să fie alimentat continuu.

Figura 6 - Reactor răcit cu gaz

(Prin amabilitatea Österreichisches Ökologie-Institut)

Pat de prundis reprezinta un nou design pentru un reactor răcit cu gaz (Figura 7). Acesta utilizează heliu ca lichidul de răcire şi un combustibil compus din dioxid de uraniu îmbogăţit low acoperite cu carbura de siliciu şi carbon proces pirolitic încastrate în sfere mici grafit. Grafit serveşte ca moderator. Combustibil proaspăt se adaugă la partea de sus a reactorului şi a combustibilul uzat scos din partea de jos, care să permită funcţionarea continuă. Lichidului de răcire heliu este menţinut la temperaturi si presiuni ridicate, ceea ce creste eficienta de transfer de căldură şi producerea de energie. Africa de Sud este lider de efortul de a dezvolta aceasta tehnologie reactor.

Figura 7 - Pebble reactor cu pat

Courtesy al Societatii Nucleare Europene

Reactoarele rapid Neutron

În contrast cu reactoarele termice, neutroni într-un reactor neutroni rapizi (sau reactor amelioratorului rapid, FBR), nu sunt încetinite de prezenţa unui moderator (Figura 8). Lichidului de răcire, de obicei un lichid de sodiu sau de plumb, este o substanţă care nu lent sau absorbi neutroni. De asemenea, are proprietăţi excelente de transfer de căldură, care permit reactor care urmează să fie operat la presiuni mai mici si temperaturi mai ridicate decât reactoarele termice.

Figura 8 - Fast Crescator Reactor Neutron

Courtesy de Nationmaster

Un FBR este configurat şi operate pentru a produce combustibil mai mult decât consumă. Neutroni rapizi sunt uşor absorbite de uraniu-238 fertile, care apoi pot suferi de emisii succesive beta pentru a deveni de fisiune Pu-239. Toriu-232 este un alt izotop fertil, care poate absorbi neutroni si produce uraniu-233 de către emisiile beta. Aceste izotopilor fisionabili poate fi reprocesat pentru combustibilul reactorului nuclear sau arme. Deoarece neutroni rapizi nu sunt la fel de eficiente în producerea de fisiune ca cele lente, FBRs nevoie de oxid de uraniu care conţin 20% U-235, oxid de plutoniu, sau un amestec al acestor oxizi, cunoscut sub numele de MOX, în calitate de combustibil.

Initial FBRs s-au gandit a fi un mijloc de extindere a resurselor mondiale de uraniu prin producerea de fisiune Pu-239 sau U-233 ca şi combustibil de reactor. Cu toate acestea, problemele cu operaţiunile de reactor şi componente din materiale combinate cu descoperirea de noi depozite de uraniu înseamnă că nu FRBs punct de vedere economic competitiv cu reactoarele existente termică. FBR de cercetare a produs progresele tehnice, dar factorul de limitare continuă să fie preţul de FBR-produse de combustibil comparativ cu reactor costul de combustibil de uraniu. FBRs sunt mai complexe decât în alte tipuri de reactoare şi a ridica, de asemenea, preocupările legate de proliferare a plutoniului pentru utilizarea în arme nucleare.

Rezumatul Tipuri de reactoare

Tabelul 1 rezumă caracteristicile reactoarelor discutate mai sus.

Tabelul 1 - Caracteristici Reactor

Procentul de * U-235 izotopi din combustibil în comparaţie cu izotop U-238. Uraniul natural contine 0,7% uraniu U-235, uşor îmbogăţit 0.8 - 3.0%, U-235, uraniu slab îmbogăţit şi 3.0 - 5.0%, U-235.
** În prezent, în curs de dezvoltare.

Reactor pentru Siguranţa Preocupări

Siguranţă reactor a fost repusă în discuţie de două accidente majore, unul în 1979, la Three Mile Island (TMI) centralei nucleare de la Pennsylvania, iar cealaltă în 1986 la Cernobîl RBMK (reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalnyin), în fosta Uniune Sovietică (figura 9 ). Acesta din urmă a fost cel mai rău accident reactor în istorie, cu 31 de persoane mor de intoxicatii radiaţia directă şi mai multe mii expuse la doze mari de radiatii pe o perioadă de aproape 20 de ani. Litigiile se agraveze în continuare în ceea ce priveşte daunele totale ale dezastrului de la Cernobâl, deşi un studiu detaliat raportate de catre un grup de oameni de ştiinţă sponsorizat ONU indică faptul că prejudiciul a fost oarecum mai puţin de temut mai devreme. Reactorului Cernobîl a folosit un moderator de grafit şi apă de răcire fără o structură de izolare. Deşi unele defecte de proiectare au fost corectate după acest accident, RMBKs sunt considerate a fi cele mai periculoase reactoare.

Figura 9 - Plant nucleară de la Cernobâl în urma accidentului 1986

Courtesy al Departamentului de Energie al SUA

Deşi accidentul TMI a fost mult mai mic în domeniul de aplicare şi a dus la nici un decese, a avut un impact profund psihologic pe punctul de vedere de către public a energiei nucleare comerciale. Planta TMI a fost o presiune uşoară reactorului cu apă, întrucât Cernobîl a avut un design reactor similar cu cel utilizat pentru reactoarele de la Hanford, Washington, care a produs plutoniu pentru arme nucleare Statele Unite ale Americii. Ambele accidente implicat eroare umană caracteristici imperative de siguranţă încorporate în sistemele reactorului. Caracteristici ale noilor generaţii de reactoare, inclusiv sistemele de siguranţă pasivă şi mai puţine ţevi şi robinete sunt concepute pentru a minimiza potenţialul de accidente şi pentru a limita efectele negative ar trebui să apară un astfel de accident.

O scurtă istorie a reactoare nucleare

Reactoare nucleare prima au fost utilizate pentru a produce plutoniu pentru arme nucleare. Aceste răcit cu apă, reactoare grafit exploatate în Statele Unite ale Americii 1944 - 1982 şi au fost, de asemenea, utilizate în Uniunea Sovietică în timpul Războiului Rece. Reactoare nucleare au fost folosite pentru prima dată la putere un submarin, Nautilus USS, în 1954. In acelasi an Obninsk 5 planta megawatt de energie nucleară în Uniunea Sovietică a devenit primul reactor de a fi legate la o reţea electrică. Prima de centrale nucleare a fost on-line de la Calder Hall din Regatul Unit în 1956 şi Shippingport, Pennsylvania în 1957. Numărul de reactoare nucleare a crescut la o rată rapidă înainte de nivelare de pe la sfârşitul anilor 1980.

În plus faţă de reactoare de producere a energiei electrice menţionate mai sus, există, de asemenea, 220 de reactoare alimentarea navelor şi submarine. Un alt 284 reactoare de funcţionare în 56 de naţiuni sunt folosite pentru cercetare într-o varietate de domenii. Aproximativ 20% din electricitatea utilizată în Statele Unite este generată de 103 reactoare nucleare, deşi nu noi reactoare au fost puse în funcţiune din 1970. Franţa este lider mondial în producerea de energie electrică cu mai mult de 70% provin din surse nucleare. Franţa, Japonia, Rusia, Marea Britanie şi reprocesează combustibil uzat de la reactorul de reactoare comerciale.

Interesul pentru energia nucleară a crescut condus, în mare parte de îngrijorarea faţă de aprovizionarea cu energie şi taxa climatice. Modele reactor au evoluat de la prima generaţie de reactoare menţionate mai sus pentru sisteme de generare a II, care a inclus PWR, BWR, şi reactoare Magnox din anii 1970 şi 1980 (Figura 10). Tabelul 2 include anumite desene sau modele pentru generaţia III şi III + reactoare. Aceste sisteme sunt touted pentru a fi mai economic pentru a construi si opera, precum şi care conţin imbunatatit caracteristici de siguranta pasiva. Figurile 11 şi 12 arată câteva dintre progresele în proiectarea reactor pentru reactorul european Sub presiunea apei şi PWR Westinghouse AP1000.

Figura 10 - Evoluţia de reactoare nucleare

Tabelul 2-modele industriale pentru Generaţia II şi III + Reactori

Courtesy of Information Administration american pentru Energie,

Figura 11 - Reactorul European de apa Sub presiunea

Courtesy de Areva

Figura 12 - caracteristicile de construcţie ale Westinghouse AP1000

Courtesy de Westinghouse

În cele din urmă, modele pentru Generaţia IV reactoare sunt în curs de dezvoltate pentru desfăşurarea până în 2030. Aceste modele reactor va continua să abordeze problemele asociate cu economie, siguranţă, proliferarea, deşeuri, şi de securitate reactor.

Bibliografie complete cu privire la reactoare nucleare de la Alsos Biblioteca digitală pentru problemele nucleare