Nüvə reaktoru

Eksperimental reaktorun aktiv zonası

Nüvə reaktoru — enerji ayrılması ilə müşahidə olunan, idarəolunan özütənzimlənən zəncirvari parçalanma reaksiyasının təşkili üçün nəzrdə tutulan qurğudur. Dünyada geniş yayılmış nüvə reaktorları uran və plutoniumun parçalanması sayəsində yaranan istilikdən istifadə edərək elektrik enerjisi əldə olunur. Elmi-tədqiqat reaktorları isə materialların araşdırılması üçün sərbəst neytronların və ya tibb üçün xüsusi radioaktiv nuklidlərin yaradılmasında tətbiq tapır.

Tarixi

İmperator Vilehelmin dövründə Almaniyada "Uran layihəsi" nasistlərin dövründə də davam etdirilir və onun rəhbərliyi formal olaraq Vaytsekkere tapşırılır. İşi isə əslində zəncirvari reaksiyanın nəzəri əsaslarını qoyan Heyzenberq görür. Vaytsekker qrup işçiləri ilə ilk nüvə reaktorunun yaradılması ilə məşğul olur. 1940-cı ildə qrupun üzvü Hartek ilk dəfə olaraq uran oksidi və bərk qrafit yavaşıdıcısının tətbiqi ilə ilk dəfə olaraq zəncivari reaksiya sınağını aparır. Ancaq onun əlində olan material nəticə almağa kifayət etmir. 1942-ci ildə Leypsiq universitetində həmin qrupun iştirakçısı olan Döpel tərəfindən sınaq stendi hazırlanr və 1942-ci idə bu stenddə külli miqdarda neytronların əldə olunması mümkün olur. 1945-ci ildə alman mütəxəssislərinə tam zəncirvari reaksiyanın aparılması nəsib olur.

Nüvənin zənciravri parçalanma reaksiyası ilk dəfə olaraq 1942-ci ildə Çikaqo universitetinin bir qrup fizikaçıları tərəfindən E. Ferminin rəhbərliyi altında icra edilir. Onlar ilk dəfə olaraq "Çikaqo dəsti" (ÇD-1) adlanan nüvə reaktorunu düzəldirlər. O qrafit bloklardan ibarət olub, arasında təbii uran və onun oksidindən ibarət kürələr yerləşdirilmişdir. 235U nüvəsinin parçalanmasından sonra sürətli neytronlar qrafitlə istilik enerjisinə qədər yavaşıdılır, sonra isə nüvənin yenidən parçalanmasını şərtləndirir. Əsas parçalanması enerji təsirinin altında baş verən ÇD-1 tipli reaktorlar "istilik neytronlu reaktorlar" adlanır. Nüvə yanacağndan fərqli olaraq onun tərkibinə çoxlu miqdarda yavaşıdıcı daxildir.

SSRİ-də reaktorların işəsalma özəllikləri, işləməsi və nəzarətinin nəzəri və praktiki tədqiqatı akademik İqor Kurçatovun rəhbərliyi altında bir qrup fizik və mühəndislər tərəfindən həyata keçirilimişdir. İlk sovet reaktoru 1946-cı ildə F-1 SSRİ EA-nın 2 №-li laboratoriyasında qurulmuşdur. F-1 reaktoru qrafit bloklardan və diametri 7,5 m olan kürələrdn hazırlanmışdır. Kürənin mərkəzində diametri m olan deşiklərdə uran çubuqlar yerləşir. F-1 və ÇD-1 reaktorlarında soyuducu sistemlər yox idi, ona görə də onlar çox aşağı gücə malik idilər (maksimal 20 Vt). F-1 reaktorunda aparılan tədqiqatlar sənaye reaktorları üçün daha mürəkkəb qurğuların işlənməsi üçün əsas olmuşdur. 1948-ci ildə plutonium istehsalı üçün İ-1 reaktoru, 27 iyun 1954-cü ildə isə Obninsk (Rusiya) şəhərində gücü 5 MVt olan, dünyada ilk atom elektrik stansiyası işə salınır.

İşləmə prinsipi

İstilik neytronlarına əsaslanan heterogen nüvə reaktorunun sxematik təsviri
1 — İdarəedici çubuq;
2 — Radiasiya müdafiəsi;
3 — İstilik izolyasiyası;
4 — Neytron yavaşıdıcısı;
5 — Nüvə yanacağı;
6 — İstilik daşıyıcısı.

Maddə çevrilməsi zamanı sərbəst enerji o vaxt ayrılır ki, maddə də izafi enerji olsun. Bu o deməkdir ki, maddənin hissəcikləri sükunət halında başqa mümkün hallara nisbətən daha çoxdur. Sərbəst hal dəyişikliyinə energetik sədd maneçilik törədir, bunu aşmaq üçün zərrəcik xaricdən müəyyən miqdarda enerji (həyanlandırıcı enerji) almalıdır. Ekzoenergetik reaksiya o deməkdir ki, çevrilməyə həyacanlanma zamanı daha çox enerji ayrılır, nəinki, prosesin həyacanlanmasında. Enerji səddini keçmək üçün iki üsul tətbiq olunur: zərrəciklərdən yaranan kinetik enerji və ya zərrəcikləri əlaqələndirən rabitə enerjisi.

Əgər enerji ayrılmasına makroskopik müstəvidə baxsaq, onda kinetik enerji reaksiyasını həyacanlandırmaq üçün zərrəcik əvvəlcədən müəyən həddə enerjiyə malik olmalıdır. Bu isə yalnız ətraf mühitin temperaturunun yüksəldilməsi hesabına mümkündür. Molekulyar çevrilmələrdə, bir sözlə kimyəvi reaksiyalarda, belə yüksəltmə adətən yüzlərlə kelvin təşkil edir. İstilik həyacanlandırılması praktikada yalnız kulon səddi kiçik olan ən yüngül nüvələrin sintezi zamanı tətbiq olunur.

Birləşən zərrəciklərin həyacanlanması böyük kinetik enerji tələb etmir və uyğun olaraq ətraf mühitin temperaturundan asılı olmur, çünki burada həyacanlanma istifadə olunmamış əlaqələrin hesabına baş verir. Ancaq reaksiyanı həyacanlandırmaq üçün zərrəciklərin özləri lazımdır. Əgər ayrıca akt yox, reaksiya zamanı makroskopik həddə enerji ayrılması nəzərdə tutulsa, onda zəncirvari reaksiyaya ehtiyac yaranır. Həyacanlanmış reaksiyada zərrəciklər energetik reaksiya məhsulu kimi yenidən yaranırlar.

Konstruksiyası

İstənilən nüvə reaktoru aşağıdakı hissələrdən ibarətdir:

• Nüvə yanacağı və yavaşılaşıdırıcının daxil olduğu aktiv zona;
• Aktiv zonanı əhatə edən neytronları əksetdirən qurğu;
• İstilik daşıyıcısı;
• Zəncirvari reaksiyanı nəzarət edən, həmçinin qəzadan qoruma sistemi,
• Radiasiya müdafiəsi,
• Uzaqdan idarəetmə sistemi.

Fiziki işləmə prinsipi

Nüvə reaktorunun aktual vəziyyətini neytronların parçalanma əmsalı k və ya reaktivlik əmsalı ρ ilə aşağıdakı şəkildə effektiv səciyyələndirmək olar:

$\rho ={{k-1} \over k}$

Bu kəmiyyətlər üçün aşağıdakı qiymətlər səciyyəvidir:

• k > 1 — zəncirvari reaksiya artan xətt üzrə gedir, reaktorun vəziyyəti kritikdən yuxarıdır, onun reaktivliyi ρ > 0;
• k < 1 — reaksiya sönür, reaktor — kritikdən aşağıdadır, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 — nüvələrin parçalanması sabitdir, reaktor stabil olaraq kritik vəziyyətdədir.

Nüvə reaktorunun kritik həddini göstərən şərt:

$k=k_{0}w=1\!$, где

• $w\!$ reaktorda yaranan neytronların payı,
• k₀ — sonsuz ölçülü aktiv zonada neytronların çoxalması əmsalı.

Parçalanma əmsalının vahidə bərabər qiyməti neytronların çoxalması ilə itkiləri arasında balansın yaradılması hesabına əldə olunur. İtkinin səbəbi ikidir: parçalanma olmadan tutma və neytronların parçalanma mühitindən kənara sızması.

İdraəolunan nüvənin parçalanmasında zəncirvari reaksiyanın reallaşdırılması müyyən şəaitdə baş tutur. Yanacağın nüvəsinin parçalanması zamani ani neytronlar və gecikmiş neytronlar əmələ gəlir. Ani neytronların həyatı çox qısadır, buna görə də, reaktoru idarə edən müasir sistemlər və vasitələr lazımı çoxalma əmsalını yalnız ani neytronların hesabına təmin edə bilmir. Neytronların gecikmə müddəti 0,1–10 saniyə arasındadır. Gecikən neytronların müəyyən hayat müddəti hesabına idarəetmə sistemi udan içlikləri hərəkət etdirməyə imkan tapır, bununla neytronlarn lazımi parçalanma əmsalını təmin edir.

Reaktorun idarə olunması

Reaktoru idarə etmək üçün uducu (absorbsiya) çubuqlardan istifadə olunur. O neytronları güclü şəkildə udabilən materiallardan (əsasən: Cd, B və s.) və ya bor turşusunun məhlulundan hazırlanır və aktiv zonaya daxil edilir. Çubuqların hərəkəti xüsusi operatordan və ya neytron axınını avtomatik idarəedən apparatlardan gələn siqnallarla tənzim olunan mexanizmlərin köməyi ilə idarə olunur.

Qəza halları üçün hər bir reaktorda zəncirvari reaksiyanı təcili söndürmə nəzərdə tutulur. Bu aktiv zonaya bütün uducu çubuqların atılması ilə həyata keçirilir.

Mənbə

• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.
• Glasstone, S., Edlund, M., C. The Elements of Nuclear Reactor Theory. Van Nostrand, New York, 1966
• Ziegler, A., Allelein H.-J. (Hrsg.): Reaktortechnik: Physikalisch-technische Grundlagen. 2. Auflage, Springer-Vieweg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8
• Smidt, D. Reaktortechnik. 2 Bände, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2018-4