ნეიტრონის სასიცოცხლო ციკლი

ყველა ნეიტრონს თავისი ისტორია აქვს

გაყოფის შედეგად დაბადებული ნეიტრონი მოძრაობს რეაქტორში და საბოლოოდ ოთხიდან ერთ-ერთ რამეს აკეთებს: იწვევს ახალ გაყოფას, შთაინთქმება გაყოფის გამოწვევის გარეშე, გაჟონავს რეაქტორიდან, ან იშლება (იშვიათად: ნეიტრონის ნახევარდაშლის პერიოდი დაახლოებით 10 წუთია, რაც ზედმეტად ნელია იმისთვის, რომ რეაქტორის ფიზიკაში მნიშვნელობა ჰქონდეს).

ერთი თაობის ნეიტრონების რაოდენობის შეფარდებას წინა თაობის ნეიტრონების რაოდენობასთან ეწოდება გამრავლების კოეფიციენტი k.

- k < 1: სუბკრიტიკული: ჯაჭვური რეაქცია ქრება

- k = 1: კრიტიკული: ჯაჭვური რეაქცია თავს ინარჩუნებს მუდმივ სიმძლავრეზე

- k > 1: სუპერკრიტიკული: სიმძლავრე იზრდება

ნორმალურ რეჟიმში მომუშავე რეაქტორი მუშაობს ზუსტად k = 1-ზე. გაშვებისას რეაქტორის k მცირე ხნით ოდნავ აღემატება 1-ს. გაჩერებისას k ეცემა 1-ზე გაცილებით დაბლა.

იმის გასაგებად, თუ რა განსაზღვრავს k-ს, ვიყენებთ ოთხფაქტორიან ფორმულას უსასრულო რეაქტორისთვის (გაჟონვის გარეშე):

k∞ = η × ε × p × f

თითოეული ფაქტორი ნეიტრონის სასიცოცხლო ციკლის ერთ ეტაპს წარმოადგენს. ყველას სათითაოდ განვიხილავთ.

ოთხფაქტორიანი ფორმულა

k∞ = η × ε × p × f

η (ეტა), რეპროდუქციის ფაქტორი: სწრაფი ნეიტრონების საშუალო რაოდენობა, რომელიც წარმოიქმნება საწვავში შთანთქმულ თითოეულ თერმულ ნეიტრონზე. U-235-ისთვის η ≈ 2.07. Pu-239-ისთვის η ≈ 2.11. ეს სარგებლის ფაქტორია: რამდენ ახალ ნეიტრონს გვაძლევს თითოეული დაშლა?

ε (ეფსილონი), სწრაფი დაშლის ფაქტორი: ითვალისწინებს U-238-ის სწრაფ დაშლებს. U-235-ის დაშლისას წარმოქმნილ სწრაფ ნეიტრონებს შეუძლიათ დაშლა გამოიწვიონ უხვად არსებულ U-238-ში, სანამ შენელდებიან. ტიპური LWR საწვავის კასეტისთვის ε ≈ 1.03–1.07. ის ყოველთვის 1-ზე მეტია: მცირე ბონუსი.

p: რეზონანსული გაქცევის ალბათობა: ალბათობა იმისა, რომ ნეიტრონი სწრაფი ენერგიებიდან თერმულ ენერგიებამდე შენელდება ისე, რომ U-238-ის რეზონანსული პიკები მას ვერ ჩაიჭერენ. U-238-ს ეპითერმულ დიაპაზონში, კონკრეტულ ენერგიებზე (რეზონანსული პიკები), ნეიტრონის ჩაჭერის უზარმაზარი განივკვეთები აქვს. ტიპურ LWR-ში p ≈ 0.75–0.80. ეს დანაკარგის ყველაზე დიდი წევრია.

f: თერმული გამოყენების ფაქტორი: თერმული ნეიტრონების ის წილი, რომელიც საწვავში შთაინთქმება (და არა შენელებელში, კონსტრუქციულ მასალაში ან მართვის ღეროებში). f = Σ_fuel / Σ_total. ტიპურ LWR-ში, როცა მართვის ღეროები ჩაშვებული არ არის, f ≈ 0.71–0.75.

მაგალითი: η=2.07, ε=1.04, p=0.77, f=0.73 → k∞ = 2.07 × 1.04 × 0.77 × 0.73 ≈ 1.21

ეს ნიშნავს, რომ უსასრულო რეაქტორში ეს საწვავი მკვეთრად ზეკრიტიკული იქნებოდა. რეალური რეაქტორები სასრულია: ნეიტრონების გაჟონვა k-ს k∞-ზე ქვემოთ ამცირებს.

ოთხი ფაქტორის გაგება

რეაქტორის ოპერატორი ამჩნევს, რომ მმართველი ღეროების უფრო ღრმად ჩაშვება ამცირებს რეაქტორის სიმძლავრეს. მმართველი ღეროები მზადდება ნეიტრონების შთამნთქმელი მასალისგან (ბორი ან ჰაფნიუმი) & მათ საწვავის არეში უშვებენ.

ექვსმამრავლიანი ფორმულა & გაჟონვა

რეალური რეაქტორები სასრულია

ოთხფაქტორიანი ფორმულა უსასრულო რეაქტორს გულისხმობს: არცერთი ნეიტრონი არ გაედინება. რეალურ რეაქტორებს საზღვრები აქვთ & ზედაპირთან ახლოს მყოფ ნეიტრონებს შეუძლიათ გარეთ გაედინონ & დაიკარგონ.

ექვსფაქტორიანი ფორმულა ორ გაუჟონავობის ალბათობას ამატებს:

k_eff = η × ε × p × f × P_FNL × P_TNL

- P_FNL: სწრაფი ნეიტრონის გაუჟონავობის ალბათობა: ალბათობა იმისა, რომ სწრაფი ნეიტრონი თერმალიზაციამდე არ გაჟონავს. დიდ LWR-ში, როგორც წესი, 0.97-ის ტოლია.

- P_TNL: თერმული ნეიტრონის გაუჟონავობის ალბათობა: ალბათობა იმისა, რომ თერმული ნეიტრონი შთანთქმამდე არ გაჟონავს. დიდ LWR-ში, როგორც წესი, 0.99-ის ტოლია.

გაჟონვის გამო პატარა რეაქტორის კრიტიკულ მდგომარეობამდე მიყვანა უფრო რთულია. პატარა რეაქტორს ზედაპირისა & მოცულობის მაღალი შეფარდება აქვს: პროპორციულად მეტი ნეიტრონი აღწევს საზღვრამდე & გარეთ გადის.

გეომეტრიული პარამეტრი B² გაჟონვის ტენდენციას რაოდენობრივად გამოხატავს. მოცემული მოცულობისთვის სფეროს ზედაპირისა & მოცულობის ყველაზე დაბალი შეფარდება & შესაბამისად ყველაზე დაბალი B² აქვს: ამით აიხსნება, რატომ აქვს ბომბის გულს სფერული ფორმა (მოცემული მასისთვის k_eff-ის მაქსიმიზაცია).

დიდ კომერციულ PWR-ში (1000 MWe) k∞ ≈ 1.2 სიცოცხლის ციკლის დასაწყისში მართვის ღეროების გარეშე, თუმცა გაჟონვა & მართვის ღეროები მუშაობისას k_eff-ს ზუსტად 1.000-მდე ამცირებს.

მყისიერი ნეიტრონები დაგვიანებული ნეიტრონების წინააღმდეგ

რატომ ემორჩილება რეაქტორი მართვას

როდესაც U-235 იხლიჩება, ნეიტრონების უმეტესობა მყისიერად ჩნდება: ესენია მყისიერი ნეიტრონები, რომლებიც გახლეჩიდან 10⁻¹⁴ წამის განმავლობაში გამოიყოფა. გახლეჩის ყველა ნეიტრონის დაახლოებით 99.35% მყისიერია.

დარჩენილი 0.65% დაგვიანებული ნეიტრონებია, რომლებსაც გახლეჩის ზოგიერთი პროდუქტი დაშლისას წამების ან წუთების შემდეგ გამოყოფს. საშუალო დაყოვნება დაახლოებით 13 წამია. ცალკეულ ჯგუფებში ის 0.2 წამიდან 55 წამამდე მერყეობს.

სწორედ ეს მცირე დაგვიანებული წილი (β = 0.0065 U-235-ისთვის) ხდის რეაქტორებს მართვადს.

მყისიერი კრიტიკულობა დგება, როდესაც k_eff ≥ 1 მხოლოდ მყისიერ ნეიტრონებზე, დაგვიანებული წილის გარეშე. ეს კატასტროფის სცენარია. მყისიერი კრიტიკულობისას რეაქტორის პერიოდი (დრო, რომელშიც სიმძლავრე e-ჯერ იზრდება) წუთებიდან მილიწამებამდე მცირდება. ვერცერთი მექანიკური სისტემა ვერ მოასწრებს რეაგირებას.

ნორმალური კრიტიკულობა (k_eff = 1.000) ჯაჭვური რეაქციის შესანარჩუნებლად დაგვიანებულ ნეიტრონებს ეყრდნობა. ნეიტრონის თაობის ეფექტური დრო შეადგენს ℓ_eff ≈ β/λ ≈ 0.0065/0.08 ≈ 0.08 წამს: საკმარისად ნელა, რომ მექანიკურმა მართვის ღეროებმა სიმძლავრე დაარეგულირონ.

მყისიერი კრიტიკულობის პირობა: k_eff ≥ 1 + β, ანუ U-235-ისთვის k_eff ≥ 1.0065.

ამას ვუწოდებთ ჭარბ რეაქტიულობას ρ ≥ β: რეაქტორი „მყისიერად ზეკრიტიკული" ხდება.

SL-1-ის ავარიამ (1961) & ჩერნობილის RBK-1000-მა 1986 წლის ტესტის დროს ორივემ მიაღწია მყისიერ კრიტიკულობას. ორივემ საკუთარი თავი ერთ წამზე ნაკლებ დროში გაანადგურა.

რატომ გვიხსნის დაგვიანებული ნეიტრონები

რეაქტორის პერიოდი და ინჰაურის განტოლება

რეაქტიულობის გაზომვა

რეაქტიულობა ρ ნიშნავს ρ = (k-1)/k. კრიტიკულობისას ρ = 0. სუბკრიტიკული: ρ < 0. სუპერკრიტიკული: ρ > 0.

ერთეული დოლარი ($) რეაქტიულობას აწყობს დაგვიანებული ნეიტრონების წილზე: 1$ = β ≈ 0.0065 U-235-ისთვის. მყისიერი კრიტიკულობა დგება, როცა ρ = 1$ = β.

ერთი ცენტი = 0.01$.

რეაქტორის პერიოდი T აღნიშნავს დროს, რომლის განმავლობაშიც სიმძლავრე e-ჯერ (≈2.718) იზრდება. მცირე დადებითი რეაქტიულობის შეყვანა ხანგრძლივ პერიოდებს იძლევა (სტაბილური, მართვადი). მყისიერ კრიტიკულობასთან მიახლოებისას პერიოდი ნულისკენ მცირდება (არასტაბილური).

ინჰაურის განტოლება რეაქტიულობას რეაქტორის პერიოდთან აკავშირებს. „Inhour" ნიშნავს „შებრუნებულ საათს" (inverse hour). განტოლება ასე გამოიყურება:

ρ = (ℓ/T) + Σᵢ [βᵢ / (1 + λᵢT)]

სადაც βᵢ და λᵢ არის დაგვიანებული ნეიტრონების თითოეული ჯგუფის გამოსავლიანობის წილი და დაშლის მუდმივა (U-235-ს აქვს 6 ჯგუფი), ხოლო ℓ არის მყისიერი ნეიტრონების სიცოცხლის ხანგრძლივობა.

მცირე დადებითი რეაქტიულობისას (ρ << β) განტოლება იძლევა T ≈ β/(ρ·λ̄): რეაქტორის პერიოდი ხდება ხანგრძლივი და მართვადი.

როდესაც ρ → β (მყისიერ კრიტიკულობასთან მიახლოებისას), T → 0: პერიოდი იკლებს და სიმძლავრე ფეთქებადად იზრდება.

პრაქტიკული მნიშვნელობა: რეაქტორის გაშვებას დადებითი რეაქტიულობა სჭირდება. ოპერატორი რეაქტორის პერიოდის მზომს ადევნებს თვალს. გაშვებისას 30-60 წამიანი პერიოდი ნორმალურია. 10 წამზე ნაკლები პერიოდი იწვევს SCRAM-ს (ავარიულ გაჩერებას).

რატომ გვჭირდება ნეიტრონების შენელება

სწრაფი ნეიტრონები და თერმული ნეიტრონები

გაყოფისას წარმოქმნილი ნეიტრონები სწრაფია: მათი კინეტიკური ენერგია დაახლოებით 1–2 MeV-ია. U-235-ის გაყოფის განივკვეთი 1 MeV-ზე: დაახლოებით 1 ბარნი (10⁻²⁴ სმ²).

ნეიტრონები თერმულ ენერგიებამდე შეანელეთ (~0.025 eV ოთახის ტემპერატურაზე) & U-235-ის დაშლის განივკვეთი დაახლოებით 585 ბარნამდე იზრდება: თითქმის 600-ჯერ მეტად.

ამიტომ თერმული რეაქტორები (LWR, CANDU, AGR) შემნელებელს იყენებენ: მასალას, რომელიც ნეიტრონებს MeV-დან eV-მდე ანელებს & ამასთან მათ დიდ ნაწილს არ შთანთქავს.

თერმალიზაცია დრეკადი გაბნევის დაჯახებებით ხდება. ყოველი დაჯახებისას ნეიტრონი თავისი კინეტიკური ენერგიის ნაწილს სამიზნე ბირთვს გადასცემს. ერთ დაჯახებაზე ენერგიის მაქსიმალური გადაცემა ასე გამოითვლება:

ΔE/E = 4A/(1+A)²

სადაც A არის სამიზნის ატომური მასა. წყალბადისთვის (A=1): ΔE/E = 1.0, ნეიტრონს შეუძლია ერთი შეჯახებისას გადასცეს მთელი თავისი ენერგია. ნახშირბადისთვის (A=12): ΔE/E = 0.28. ურანისთვის (A=238): ΔE/E = 0.017, ანუ ნეიტრონი პრაქტიკულად არ ნელდება.

ამით აიხსნება, რატომ არის წყალბადი (წყალში) ასეთი ეფექტური შემნელებელი: მას შეუძლია ნეიტრონის თერმალიზება დაახლოებით 18 შეჯახებაში. ნახშირბადს (გრაფიტს) დაახლოებით 114 შეჯახება სჭირდება. თუმცა წყალბადი ნეიტრონებსაც შთანთქავს (ამაზე ქვემოთ ვისაუბრებთ).

შემნელებლების შედარება: H₂O, D₂O და გრაფიტი

შემნელებლის არჩევის კომპრომისი

კარგ შემნელებელს უნდა ჰქონდეს:

1. დაბალი ატომური მასა (ენერგიის ეფექტური გადაცემა ყოველ შეჯახებაზე)

2. ნეიტრონების შთანთქმის დაბალი განივკვეთი (ნუ მოიპარავ იმ ნეიტრონებს, რომლებსაც ანელებ)

ჩვეულებრივი წყალბადისთვის ეს ორი მოთხოვნა ერთმანეთს ეწინააღმდეგება.

მსუბუქი წყალი (H₂O)

- შენელების უნარი: ძალიან მაღალი (ξΣₛ ≈ 1.35 სმ⁻¹)

- შთანთქმის განივი კვეთი (H): 0.33 ბარნი: მნიშვნელოვანი

- შენელების კოეფიციენტი (ξΣₛ/Σₐ) ≈ 62

- შედეგი: შესანიშნავი შემნელებელია, მაგრამ იმდენ ნეიტრონს შთანთქავს, რომ კომპენსაციისთვის აუცილებლად უნდა გამოიყენოთ გამდიდრებული ურანი (3–5% U-235). ბუნებრივ ურანს (0.71% U-235) H₂O-ს შთანთქმის დასაძლევად საკმარისი ჭარბი ნეიტრონები არ აქვს.

მძიმე წყალი (D₂O)

- შენელების უნარი: H₂O-ზე დაბალია (ξΣₛ ≈ 0.18 სმ⁻¹), ამიტომ მეტი შეჯახება სჭირდება

- შთანთქმის კვეთი (D): 0.0005 ბარნი, H-ზე 660-ჯერ დაბალი

- შენელების კოეფიციენტი ≈ 5,500

- შედეგი: D₂O თითქმის არ შთანთქავს ნეიტრონებს. რეაქტორს შეუძლია იმუშაოს ბუნებრივ ურანზე (0.71% U-235). ამიტომ იყენებენ CANDU რეაქტორები ბუნებრივი ურანის საწვავს.

გრაფიტი (C)

- შენელების უნარი: ზომიერი (ξΣₛ ≈ 0.064 სმ⁻¹)

- შთანთქმის განივკვეთი (C): 0.0035 ბარნი: დაბალი, თუმცა D₂O-ზე მაღალი

- შენელების კოეფიციენტი ≈ 170

- შედეგი: შესაძლებელია ბუნებრივი ან მცირედ გამდიდრებული ურანის გამოყენება. RBMK, Magnox & AGR რეაქტორები გრაფიტს იყენებენ. ჩერნობილის რეაქტორში შემნელებლად გრაფიტი გამოიყენებოდა.

ნატრიუმი (Na): თბური ნეიტრონების შემნელებელი არ არის

- ნატრიუმით გაგრილებადი სწრაფი რეაქტორები ნეიტრონების თერმალიზაციას განზრახ არიდებენ თავს. სწრაფ ნეიტრონებს პირდაპირ იყენებენ. მოდერატორი არც საჭიროა და არც სასურველი. სწრაფი სპექტრი ახალი დაშლადი მასალის კვლავწარმოების (ბრიდინგის) საშუალებას იძლევა (Pu-239 U-238-დან).

CANDU-ს უპირატესობა

სწრაფი რეაქტორები: შენელებელი არ სჭირდებათ

რატომ არ იყენებენ ნატრიუმით გაგრილებადი სწრაფი რეაქტორები შენელებელს

სწრაფი რეაქტორები (SFR, ტყვიით გაგრილებადი LFR) განზრახ ინარჩუნებენ სწრაფი ნეიტრონების სპექტრს. მაცივარ აგენტს (თხევადი ნატრიუმი ან ტყვია) აქვს მაღალი ატომური მასა & გაბნევის დაბალი კვეთა: ის ნეიტრონებს არ ათერმალებს.

რატომ უნდა იმუშაოს რეაქტორმა სწრაფ ნეიტრონებზე? ამის ორი მიზეზი არსებობს:

1. აღწარმოება: სწრაფ ნეიტრონებს შეუძლიათ ნედლეული U-238 გადააქციონ დაშლად Pu-239-ად, თანაც უფრო ეფექტურად, ვიდრე თბურ რეაქტორებში. სწრაფ რეაქტორში აღწარმოების კოეფიციენტი (ახლად წარმოქმნილი დაშლადი ატომების რაოდენობა თითო დახარჯულ დაშლად ატომზე) შეიძლება 1.0-ს აღემატებოდეს. ამიტომ სწრაფი აღწარმომებელი რეაქტორი იმაზე მეტ საწვავს ქმნის, ვიდრე წვავს. ბუნებრივი ურანის 99.3% U-238-ია. თუ მის აღწარმოებას შევძლებთ, ის თითქმის ამოუწურავ საწვავად იქცევა.

2. ტრანსმუტაცია: სწრაფ ნეიტრონებს შეუძლიათ დაშალონ ხანგრძლივად მცხოვრები აქტინიდები (Am-241, Np-237, Cm-244). დამუშავებულ ბირთვულ საწვავში სწორედ ესენი ქმნიან მთავარ ხანგრძლივ რადიაციულ საფრთხეს. სწრაფ რეაქტორში მათი დაწვა მაღალაქტიური ნარჩენების სიცოცხლის ხანგრძლივობას >100,000 წლიდან ~1,000 წლამდე ამცირებს.

ამას თავისი ფასი აქვს. ნატრიუმი ქიმიურად აქტიურად რეაგირებს წყალთან & ჰაერთან, რაც ნატრიუმის ხანძრებს იწვევს. სწრაფი სპექტრის დროს დაშლის კვეთები უფრო მცირეა, ამიტომ თითო ნეიტრონი ნაკლებად ეფექტურად მუშაობს. ასეთი რეაქტორის საინჟინრო მოწყობილობაც უფრო რთულია.

მაღაროდან საწვავის კასეტამდე

საწვავის ციკლის საწყისი ეტაპი

1. მოპოვება: ურანის მადანი, როგორც წესი, მასის მიხედვით 0.1–0.5% ურანს შეიცავს. გამოიყენება ღია ან მიწისქვეშა მოპოვება, ან მიწისქვეშა გამოტუტვა (ISL), როდესაც ქიმიური ხსნარი ურანს მიწის ქვეშ ხსნის.

2. დაფქვა: მადანს ამსხვრევენ & ქიმიურად ამუშავებენ ყვითელი ნამცხვრის (yellowcake, U₃O₈) მისაღებად: მასის მიხედვით დაახლოებით 85% ურანი. ქარხნის ნარჩენები სუსტად რადიოაქტიურია & ფრთხილ განთავსებას საჭიროებს.

3. კონვერსია: ყვითელ ნამცხვარს გარდაქმნიან ურანის ჰექსაფტორიდად (UF₆): ნივთიერებად, რომელიც ზომიერ ტემპერატურაზე აირად იქცევა. UF₆ გამდიდრების სამუშაო სითხედ გამოიყენება. რეაქცია: U₃O₈ + HF → UF₄ → UF₆.

4. გამდიდრება: ბუნებრივი ურანი შეიცავს 99.3% U-238-ს & 0.71% U-235-ს. რეაქტორების უმეტესობას 3–5% U-235 სჭირდება. არსებობს ორი კომერციული პროცესი:

აირადი დიფუზია: UF₆ აირს ათასობით ფოროვან ბარიერში ატუმბავენ. U-235 ოდნავ მსუბუქია U-238-ზე, ამიტომ ყოველ საფეხურზე ²³⁵UF₆ 1.004-ჯერ უფრო სწრაფად დიფუნდირებს, ვიდრე ²³⁸UF₆. ამას კასკადში ასობით საფეხური & უზარმაზარი ელექტროენერგია სჭირდება (~2,400 kWh ერთ SWU-ზე). დღეს ეს მეთოდი ძირითადად მოძველებულია.

გაზური ცენტრიფუგა: UF₆ ბრუნავს 50,000–70,000 ბრ/წთ სიჩქარით. უფრო მძიმე ²³⁸UF₆ გროვდება გარე კედელთან, უფრო მსუბუქი ²³⁵UF₆ კი ცენტრში. გამოყოფის კოეფიციენტი ~1.3 ერთ საფეხურზე (დიფუზიის 1.004-ის ნაცვლად). ხარჯავს ~50-ჯერ ნაკლებ ელექტროენერგიას. თანამედროვე სტანდარტი.

გამდიდრებას ზომავენ გამოყოფითი სამუშაოს ერთეულებით (SWU). ბუნებრივი ურანიდან 1 კგ 5%-მდე გამდიდრებული ურანის მისაღებად საჭიროა დაახლოებით 8 SWU.

5. საწვავის დამზადება: გამდიდრებულ UF₆-ს გარდაქმნიან ურანის დიოქსიდის (UO₂) ფხვნილად, წნეხავენ კერამიკულ ტაბლეტებად (~1 სმ დიამეტრი, 1 სმ სიმაღლე), აცხობენ 1700°C-ზე, აწყობენ ცირკონიუმის შენადნობის (Zircaloy) მილებში და ჰერმეტულად კეტავენ: ესაა საწვავის ღეროები. ღეროებს აწყობენ საწვავის კასეტად (მაგ., 17×17 = 289 ღერო PWR-ის კასეტაში). ტიპურ 1000 MWe სიმძლავრის PWR-ს აქვს ~193 საწვავის კასეტა, ჯამში ~80 ტონა ურანი.

გამდიდრების დონეები და გამოყენება:

- ბუნებრივი (0.71%): CANDU, Magnox

- დაბალგამდიდრებული ურანი (LEU, <20%): კომერციული ენერგეტიკა, 3–5% LWR-ისთვის

- მაღალგამდიდრებული ურანი (HEU, ≥20%): საზღვაო რეაქტორები (≥90%), კვლევითი რეაქტორები

- საიარაღო ხარისხის: ≥90% U-235

ცენტრიფუგა დიფუზიის წინააღმდეგ

დახარჯული საწვავი და გადამუშავება

საწვავის ციკლის დასკვნითი ეტაპი

რეაქტორში 3–4 წლის შემდეგ დახარჯული საწვავი ფიზიკურად ცხელია, ძლიერ რადიოაქტიურია & კვლავ შეიცავს მნიშვნელოვანი რაოდენობის დაშლად მასალას:

- ~94% U-238 (U-235-ით გაღარიბებული)

- ~1% U-235 (კვლავ დაშლადი)

- ~1% Pu-239, Pu-240, Pu-241 (წარმოიქმნება U-238-ში ნეიტრონის ჩაჭერით)

- ~4% დაშლის პროდუქტები (Cs-137, Sr-90, I-131 & ~200 სხვა)

- <0.1% მცირე აქტინიდები (Am, Np, Cm)

ერთჯერადი ციკლი: აშშ-ის პოლიტიკით, დამუშავებული საწვავი 5–10 წლის განმავლობაში ინახება დამუშავებული საწვავის სველ აუზებში (წყალი იცავს რადიაციისგან & აშორებს დაშლის სითბოს), შემდეგ კი გადაიტანება მშრალი კასრების საცავში. გადამუშავება არ ხდება. მაღალი დონის ნარჩენების (HLW) მუდმივი გეოლოგიური განთავსება დაგეგმილია (იუკა-მაუნთინი, ამჟამად შეჩერებულია).

PUREX გადამუშავება (საფრანგეთი, დიდი ბრიტანეთი, იაპონია, რუსეთი): დამუშავებული საწვავი იხსნება აზოტმჟავაში. გამხსნელით ექსტრაქცია (ტრიბუტილფოსფატი ნავთში) შერჩევით გამოყოფს ურანს & პლუტონიუმს, დაშლის პროდუქტები კი რჩება. აღდგენილი ურანის (გადამუშავებული ურანი, RepU) ხელახალი გამდიდრება შესაძლებელია. პლუტონიუმს ურევენ გაღარიბებულ ურანს და ამზადებენ MOX საწვავს (შერეული ოქსიდი, ~5–7% PuO₂). MOX საწვავის რესურსებს ~10–20%-ით ზრდის.

იარაღის ხარისხის vs. რეაქტორის ხარისხის პლუტონიუმი:

რეაქტორში ბუნებრივი ურანი წარმოქმნის Pu-239-ს. თუ ის რეაქტორში საკმარისად დიდხანს დარჩება, Pu-239-ის მიერ ნეიტრონის ჩაჭერა წარმოქმნის Pu-240-ს. რეაქტორის ხარისხის Pu (ჩვეულებრივ >18% Pu-240) იარაღისთვის პრობლემურია, რადგან Pu-240-ს სპონტანური დაშლის მაღალი სიჩქარე აქვს: ზარბაზნის ტიპის კონსტრუქციებში ის იწვევს წინასწარ დეტონაციას (ჩაფუშვას). იარაღის ხარისხის Pu მოითხოვს დასხივების მოკლე დროს (<3 თვე), რათა Pu-240-ის დაგროვება შეიზღუდოს. კომერციული ენერგეტიკული რეაქტორები (18+ თვის ხანგრძლივი საწვავის ციკლებით) წარმოქმნიან იარაღისთვის გამოუსადეგარ, რეაქტორის ხარისხის პლუტონიუმს. ეს ერთჯერად საწვავის ციკლში გავრცელების წინააღმდეგ შექმნილი განზრახ ბარიერია.

ღეროს დიფერენციალური და ინტეგრალური ეფექტურობა

რამდენად ეფექტურია ღერო?

ღეროს ეფექტურობა არის რეაქტიულობის ცვლილება, რომელსაც მმართველი ღეროს ჩაშვება იწვევს. ის მუდმივი არ არის: დამოკიდებულია იმაზე, თუ სად არის ღერო ჩაშვებული ნეიტრონული ნაკადის განაწილების მიმართ.

ღეროს დიფერენციალური ეფექტურობა (Δρ/Δx): რეაქტიულობის ცვლილება ღეროს ჩაშვების ერთეულზე მოცემულ პოზიციაში. იგი მაქსიმუმს აღწევს იქ, სადაც ნეიტრონული ნაკადი ყველაზე მაღალია: აქტიური ზონის ცენტრში. ზედა და ქვედა ნაწილებთან (დაბალი ნაკადის რეგიონები) იგი დაბალია.

ღეროს ინტეგრალური ეფექტურობა: რეაქტიულობის სრული ცვლილება სრულად ამოწეული მდგომარეობიდან ჩაშვების მოცემულ სიღრმემდე. იგი S-მრუდს ქმნის: ნელი ცვლილება ზედა ნაწილში (დაბალი ნაკადი), სწრაფი ცვლილება ცენტრში (პიკური ნაკადი), ნელი ცვლილება ქვედა ნაწილში.

ღეროს გამოტყორცნის ავარია: თუ მართვის ღერო უეცრად გამოიტყორცნება აქტიური ზონიდან (მაგ., ღეროს ამძრავი მექანიზმის მწყობრიდან გამოსვლის გამო), მილიწამებში ხდება დიდი დადებითი რეაქტიულობის შეყვანა. სიდიდე დამოკიდებულია ღეროს ეფექტურობაზე (pcm-დან რამდენიმე დოლარამდე, ღეროს პოზიციის მიხედვით). თუ გამოტყორცნილი ღეროს ეფექტურობა აჭარბებს მყისიერი კრიტიკულობის ზღვარს (1$), ხდება მყისიერი კრიტიკულობის ექსკურსია.

ღეროების დაჩრდილვა / ღეროებს შორის ურთიერთქმედება: ერთი ღეროს ჩაშვება ამცირებს ლოკალურ ნაკადს, რაც ამცირებს ახლომდებარე ღეროების ეფექტურობას. ოპერატორებმა ეს ურთიერთქმედება უნდა გაითვალისწინონ ღეროების განლაგების დაგეგმვისას.

მართვის ღეროების მასალები: ბორი-10 (σₐ = 3,840 ბარნი 0.025 eV-ზე), ჰაფნიუმი (σₐ = 102 ბარნი, ზომიერი, მაგრამ ნელა იწვის, ამიტომ მას ხანგრძლივი მოქმედების ღეროებისთვის ირჩევენ), ვერცხლ-ინდიუმ-კადმიუმის შენადნობი (გამოიყენება PWR-ებში, Ag სწრაფ რეაქციას იძლევა, In & Cd კი ეფექტურობას ინარჩუნებენ გადაწვის დროს).

ქსენონით მოწამვლა: უხილავი მკვლელი

Xe-135: ნეიტრონების ყველაზე ძლიერი ცნობილი შთამნთქმელი

ქსენონ-135-ის თერმული ნეიტრონების შთანთქმის განივკვეთი 2.6 მილიონ ბარნს აღწევს: ეს ყველა ნუკლიდს შორის ბევრად ყველაზე დიდი მნიშვნელობაა. შედარებისთვის, U-235-ის გაყოფის განივკვეთი 585 ბარნია. Xe-135 ერთ ატომზე გადაანგარიშებით ~4,400×-ით მეტს შთანთქავს.

წარმოქმნა: Xe-135 ძირითადად წარმოიქმნება I-135-ის (იოდის) დაშლით, რომელიც უშუალოდ დაყოფისას წარმოიქმნება. Xe-135-ის მხოლოდ ~0.3% მოდის უშუალოდ დაყოფიდან; ~95% მოდის დაშლის ჯაჭვით:

Te-135 → I-135 (ნახევარდაშლის პერიოდი 6.6 სთ) → Xe-135 (ნახევარდაშლის პერიოდი 9.2 სთ) → Cs-135

მოცილება: Xe-135 ორი პროცესით მოცილდება: (1) რადიოაქტიური დაშლა (ნახევარდაშლის პერიოდი 9.2 სთ), & (2) ნეიტრონის შთანთქმა (ნეიტრონული ნაკადით „გადაწვა“). მაღალ სიმძლავრეზე მოცილების დომინანტური მექანიზმი ნეიტრონის შთანთქმაა.

იოდის ორმო (ქსენონის გარდამავალი პროცესი):

სტაციონარული მუშაობისას Xe-135-ის წარმოქმნა & მოცილება ერთმანეთს აწონასწორებს (ქსენონის ღირებულება ≈ -2,500 pcm ტიპურ PWR-ში).

როდესაც რეაქტორი ჩერდება, Xe-135-ის მიერ ნეიტრონების შთანთქმა წყდება. თუმცა I-135 რამდენიმე საათის განმავლობაში აგრძელებს დაშლას ახალ Xe-135-ად. გაჩერებიდან 6–8 საათის განმავლობაში Xe-135-ის კონცენტრაცია იზრდება: ეს არის იოდის ორმო.

ამან შეიძლება რეაქტორის ხელახლა გაშვება დროებით შეუძლებელი გახადოს (ქსენონის გადალახვა შეუძლებელია), თუ ჭარბი რეაქტიულობა არასაკმარისია.

კავშირი ჩერნობილთან: 1986 წლის 26 აპრილს ჩერნობილის მე-4 ბლოკის ტესტი ქსელის მოთხოვნის გამო ~9 საათით გადაიდო. ამ ხნის განმავლობაში ქსენონი დაგროვდა. ტესტის გასაგრძელებლად ოპერატორებს ქსენონით მოწამვლის დასაძლევად თითქმის ყველა მართვის ღერო ამოღება მოუწიათ. ამის შედეგად რეაქტორს გაჩერების მარაგი პრაქტიკულად აღარ დარჩა: ეს ავარიის კრიტიკული წინაპირობა გახდა.

რატომ ხდის ქსენონი რეაქტორებს საშიშს გაჩერების შემდეგ

სამარიუმით მოწამვლა

Sm-149: ხანგრძლივი მოქმედების შხამი

სამარიუმი-149 რეაქტორის მეორე ყველაზე მნიშვნელოვანი შხამია. მისი თერმული შთანთქმის განივკვეთი დაახლოებით 41 000 ბარნს შეადგენს.

წარმოქმნის ჯაჭვი: Nd-149 → Pm-149 (ნახევარდაშლის პერიოდი 53 სთ) → Sm-149 (სტაბილური)

ქსენონისგან განსხვავებით, Sm-149 სტაბილურია: ის არ იშლება. მისი მოცილება მხოლოდ ნეიტრონის შთანთქმით შეიძლება. სტაციონარულ სიმძლავრეზე Sm-149 წონასწორულ კონცენტრაციას აღწევს, რაც დაახლოებით -700 pcm რეაქტიულობას შეესაბამება.

გაჩერებისას: ნეიტრონული გამოწვა წყდება, მაგრამ Pm-149 აგრძელებს დაშლას Sm-149-ად. რადგან Sm-149 სტაბილურია, ის გაჩერებიდან ~100 საათის განმავლობაში გროვდება და დაახლოებით კიდევ -600 pcm უარყოფით რეაქტიულობას ამატებს.

ხელახალი გაშვებისას: ნეიტრონული ნაკადი ჭარბ Sm-149-ს წვავს. სამარიუმით მოწამვლა ქსენონისაზე ნაკლებად მძიმეა (იოდის ორმოს ანალოგი არ არსებობს), თუმცა გრძელვადიან რეაქტიულობის მართვაში მისი გათვალისწინება აუცილებელია.

ერთად, ქსენონი და სამარიუმი გაჩერების პიკზე დაახლოებით -3,000-დან -3,500 pcm-მდე რეაქტიულობის ტვირთს ქმნის: ხელახალი გაშვებისას ეს უნდა დაბალანსდეს მმართველი ღეროების ამოწევით ან ქიმიური რეგულირებით (ბორის მჟავა PWR-ებში).

რა არის რეაქტიულობის კოეფიციენტები?

განსხვავება უსაფრთხო & სახიფათო რეაქტორებს შორის

რეაქტიულობის კოეფიციენტი არის რეაქტიულობის ცვლილება რომელიმე ფიზიკური პარამეტრის (ტემპერატურა, სიცარიელის წილი, სიმძლავრე) ერთეულოვან ცვლილებაზე.

უარყოფითი კოეფიციენტი: სიმძლავრის ზრდასთან ერთად რეაქტიულობა მცირდება: რეაქტორი თავად ზღუდავს საკუთარ თავს. ეს შინაგანად უსაფრთხო კონსტრუქციაა.

დადებითი კოეფიციენტი: სიმძლავრის ზრდასთან ერთად რეაქტიულობაც იზრდება: რეაქტორი აძლიერებს შეშფოთებებს. ეს პოტენციურად არასტაბილური კონსტრუქციაა.

რეაქტიულობის კოეფიციენტების ნიშანი განსაზღვრავს, არის თუ არა რეაქტორი შინაგანად უსაფრთხო, თუ მას აქტიური ჩარევა სჭირდება მართვიდან გამოსვლის თავიდან ასაცილებლად. ეს რეაქტორის დაპროექტებაში უსაფრთხოების ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრია.

დოპლერის გაფართოება: უსაფრთხოების ყველაზე მნიშვნელოვანი მექანიზმი

რეაქტიულობის დოპლერის კოეფიციენტი

დოპლერის გაფართოება კვანტურ-მექანიკური ეფექტია: საწვავის ტემპერატურის ზრდისას U-238-ის ბირთვების თერმული მოძრაობა აფართოებს მათი ნეიტრონული შთანთქმის რეზონანსულ პიკებს.

ეპითერმულ ენერგეტიკულ დიაპაზონში (1 eV-დან 10 keV-მდე) U-238-ს უზარმაზარი რეზონანსული შთანთქმის პიკები აქვს. დაბალ ტემპერატურაზე ეს პიკები ვიწროა: შთანთქმისთვის ნეიტრონს ძალიან ზუსტი ენერგია სჭირდება. ტემპერატურის ზრდისას გაფართოებული პიკები ნეიტრონებს უფრო ფართო ენერგეტიკული დიაპაზონიდან შთანთქავს.

გავლენა p-ზე (რეზონანსის თავიდან აცილების ალბათობა): საწვავის ტემპერატურა იზრდება → U-238-ის რეზონანსული პიკები ფართოვდება → თერმალიზაციისას მეტი ნეიტრონი იჭერება → p მცირდება → k მცირდება → სიმძლავრე მცირდება.

დოპლერის კოეფიციენტი (α_D) U-235/U-238 საწვავისთვის, როგორც წესი, -1-დან -3 pcm/°C-მდე მერყეობს. ეს მნიშვნელობა ძლიერ უარყოფითია.

რატომ წარმოადგენს ეს უსაფრთხოების მთავარ მექანიზმს: ის მყისიერად მოქმედებს (ტემპერატურა სითბოს გავრცელების სიჩქარით იცვლება: მილიწამებიდან წამებამდე). ის ყოველთვის არსებობს, სანამ საწვავში U-238 რჩება. ის არ არის დამოკიდებული არცერთ აქტიურ სისტემაზე ან ოპერატორის მოქმედებაზე. მისი მწყობრიდან გამოსვლა შეუძლებელია.

რეაქტიულობის ნებისმიერი ექსკურსიისას (სიმძლავრის უეცარი ზრდა) დოპლერის ეფექტი მაშინვე ჩაირთვება და უარყოფით უკუკავშირს უზრუნველყოფს, სანამ რომელიმე მექანიკური სისტემა რეაგირებას მოასწრებს. ამით აიხსნება, რატომ ზღუდავს თანამედროვე LWR საწვავი (რომლის საწვავის მატრიცაში 95%-ზე მეტი U-238-ია) თავის თავს ბუნებრივად.

შენიშვნა იარაღის შესახებ: სუფთა U-235-ის ან Pu-239-ის მეტალს დოპლერის უკუკავშირი თითქმის არ გააჩნია. ეს ერთ-ერთი მიზეზია, რის გამოც იარაღში მაღალი გამდიდრების მასალას იყენებენ: დოპლერის უსაფრთხოების მექანიზმი, რომელიც ენერგეტიკულ რეაქტორებს უსაფრთხოს ხდის, იარაღის სიმძლავრესაც შეზღუდავდა.

სიცარიელის კოეფიციენტი: რა განასხვავებს LWR-ს RBMK-სგან

სიცარიელის კოეფიციენტი & ჩერნობილის ფიზიკა

სიცარიელის კოეფიციენტი (α_v) გვიჩვენებს, რამდენით იცვლება რეაქტიულობა სიცარიელის წილის ერთეულით ცვლილებისას (სიცარიელის წილი: გამაგრილებლის ის ნაწილი, რომელიც ადუღდა & ორთქლის ბუშტებად იქცა).

მსუბუქწყლიან რეაქტორში (PWR ან BWR):

წყალი ერთდროულად ასრულებს როგორც გამაგრილებლის, ისე შემნელებლის ფუნქციას. თუ წყალი დუღს (წარმოიქმნება სიცარიელე), შენელება მცირდება. ნაკლები შენელება → ნაკლები თერმული ნეიტრონი → ნაკლები გაყოფა → სიმძლავრე მცირდება. გარდა ამისა, წყალი ნეიტრონების ნაწილს შთანთქავს: ნაკლები წყალი ნიშნავს ნაკლებ პარაზიტულ შთანთქმას, რაც მცირედ დადებითი ეფექტია, თუმცა შენელების დანაკარგი ჭარბობს.

შედეგი: მსუბუქწყლიან რეაქტორებში (LWR) სიცარიელის კოეფიციენტი უარყოფითია (ჩვეულებრივ -100-დან -200 pcm/% სიცარიელემდე). გამაგრილებლის დაკარგვა სიმძლავრეს ავტომატურად ამცირებს.

RBMK-1000-ში (ჩერნობილის რეაქტორი):

RBMK-ში მოდერატორის როლს გრაფიტი ასრულებდა & წყალი მხოლოდ გამაგრილებლად გამოიყენებოდა. თუ წყალი ადუღდება:

- შენელება უცვლელი რჩება (გრაფიტის მოდერატორი არ იცვლება)

- წყალში ნეიტრონების შთანთქმა მცირდება (ნაკლები პარაზიტული შთანთქმა)

- საბოლოო ეფექტი: სიცარიელის დადებითი კოეფიციენტი დაბალ სიმძლავრეზე

- სიმძლავრის ზრდასთან ერთად წყალი უფრო ძლიერად დუღს, დადებითი სიცარიელის კოეფიციენტი მეტ რეაქტიულობას მატებს, რაც სიმძლავრეს კიდევ უფრო ზრდის: დადებითი უკუკავშირის მარყუჟი.

დადებითი სიცარიელის კოეფიციენტის სიდიდე RBMK-ში: დაბალ სიმძლავრეზე, როცა მართვის ღეროების მცირე ნაწილია ჩაშვებული, α_v ≈ +4-დან +5 pcm/% სიცარიელემდე. საბჭოთა კონსტრუქტორებმა ეს იცოდნენ, მაგრამ სადგურის ოპერატორებს უმალავდნენ.

1986 წლის 26 აპრილი: ჩერნობილის მე-4 ენერგობლოკი მუშაობდა დაბალ სიმძლავრეზე (~200 MWt, ნომინალური 3,200 MWt-ის ნაცვლად), მართვის ღეროების უმეტესობა ამოწეული ჰქონდათ ქსენონით მოწამვლის დასაძლევად. ამ კონფიგურაციაში: მაქსიმალური დადებითი სიცარიელის კოეფიციენტი, ღეროების მინიმალური ეფექტურობა, ქსენონით დათრგუნული სიმძლავრე. როცა ტესტის თანმიმდევრობამ რეაქტორის სიმძლავრის მკვეთრი ნახტომი გამოიწვია, დუღილი გაძლიერდა, სიცარიელის კოეფიციენტმა რეაქტიულობა მოუმატა, სიმძლავრე უფრო სწრაფად გაიზარდა, დუღილი კიდევ უფრო გაძლიერდა: არამდგრადი დადებითი უკუკავშირი. რეაქტორმა მყისიერ კრიტიკულობას მიაღწია & ~3 წამში თავი გაანადგურა.

რატომ მუშაობდა RBMK არასტაბილურად დაბალ სიმძლავრეზე

შენელებლის ტემპერატურული კოეფიციენტი და სიმძლავრის კოეფიციენტი

სხვა ძირითადი კოეფიციენტები

მოდერატორის ტემპერატურული კოეფიციენტი (MTC): რეაქტიულობის ცვლილება მოდერატორის ტემპერატურის ყოველ გრადუსზე. PWR-ში წყლის ტემპერატურის ზრდისას მისი სიმკვრივე მცირდება → მოცულობის ერთეულში ნაკლები მოდერატორი → ნაკლები თერმალიზაცია → ნაკლები თერმული ნეიტრონი → k მცირდება. LWR-ებში MTC უარყოფითია (ჩვეულებრივ -20-დან -80 pcm/°C-მდე). ეს უსაფრთხოების სავალდებულო სპეციფიკაციაა: აშშ-ის NRC-ის რეგულაციები მოითხოვს, რომ MTC ≤ 0 ყოველთვის.

საწვავის ტემპერატურული კოეფიციენტი (FTC): ძირითადად განპირობებულია დოპლერის გაფართოებით (აღწერილია ზემოთ). LWR საწვავში ყოველთვის მკვეთრად უარყოფითია.

სიმძლავრის კოეფიციენტი: ყველა წყაროდან მიღებული ჯამური რეაქტიულობის უკუკავშირი სიმძლავრის ცვლილების ერთეულზე. კარგად დაპროექტებულ LWR-ში ის მკვეთრად უარყოფითია. სიმძლავრე იზრდება → საწვავის ტემპერატურა იზრდება (დოპლერის უკუკავშირი) → მოდერატორი თბება და მასში სიცარიელეები ჩნდება (MTC-ისა და სიცარიელის უკუკავშირი) → რეაქტიულობა მცირდება → სიმძლავრე სტაბილიზდება.

ერთობლივი ეფექტი: LWR რეაქტორები თავისთავად თვითრეგულირებადია. ოპერატორი, რომელიც არაფერს აკეთებს, დაინახავს, რომ რეაქტორი დასტაბილურდება ისეთ სიმძლავრის დონეზე, სადაც უკუკავშირი k = 1.000-ს უზრუნველყოფს. ეს შემთხვევითობა არ არის: ეს წინასწარ განზრახული საპროექტო მოთხოვნაა.

რეაქტორი, რომლის ყველა კოეფიციენტი უარყოფითია, თერმული უკუკავშირის მოვლენის შედეგად არასოდეს გადავა მყისიერ კრიტიკულ მდგომარეობაში. LWR-ში მყისიერი კრიტიკულობისთვის საჭიროა გარე დადებითი რეაქტიულობის შეყვანა, რომელიც აღემატება მყისიერი კრიტიკულობის ზღვარს (>β ≈ 0.0065). პრაქტიკაში ეს ნიშნავს მართვის ღეროს გამოტყორცნას ან ბორის სწრაფ განზავებას: ორივე მათგანი საპროექტო საფუძველში ცალსახად არის გაანალიზებული.

სითბოს არინება: საწვავიდან გამაგრილებლამდე

საწვავის გაგრილება

დაშლა სითბოს ძირითადად დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკური ენერგიის (~83%) & მყისიერი გამა გამოსხივების (~3%) სახით წარმოქმნის, რომელიც თითქმის მთლიანად საწვავის ტაბლეტში გროვდება. დაშლის პროდუქტების ბეტა დაშლა (~4%) & გამა დაშლა (~4%) დროთა განმავლობაში სითბოს ამატებს: ეს ნარჩენი სითბოა, რომელიც გაჩერების შემდეგაც გრძელდება.

ნარჩენი სითბო დაახლოებით way-12 წესს მიჰყვება: გაჩერებიდან 1 წუთის შემდეგ ნარჩენი სითბო ≈ სამუშაო სიმძლავრის 1%. 1 საათის შემდეგ: ~0.4%. 1 დღის შემდეგ: ~0.2%. 1 კვირის შემდეგ: ~0.07%. 3,000 MWt რეაქტორის ნარჩენი სითბო გაჩერებიდან 1 წუთის შემდეგ ~30 MWt-ს შეადგენს: საკმარისია აქტიური ზონის გასალღობად, თუ გაგრილება დაიკარგება. ეს ხსნის, რატომ აქვს ასეთი გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქტიური ზონის ავარიული გაგრილების სისტემებს (ECCS).

სითბოს გადაცემის გზა: საწვავის ტაბლეტი → საწვავის ღეროს გარსი (ცირკალოი) → გამაგრილებელი წყალი → ორთქლის გენერატორი (PWR) ან პირდაპირ ორთქლი (BWR)

ტემპერატურული პროფილი: PWR-ში საწვავის ცენტრალური ღერძის ტემპერატურა სრულ სიმძლავრეზე ~900–1,200°C-ს აღწევს. ცირკალოის გარსის ზედაპირი: ~300–350°C. გამაგრილებლის საშუალო ტემპერატურა: ~290–325°C. ტაბლეტის ცენტრიდან გამაგრილებლამდე ციცაბო გრადიენტის გამო სიმძლავრის მცირე ზრდა საწვავის ტემპერატურის დიდ ზრდას იწვევს: & დოპლერის ძლიერ უკუკავშირს.

ძირითადი თერმული ზღვარი: საწვავის ცენტრალური ღერძის ტემპერატურა UO₂-ის დნობის წერტილზე (~2,865°C) დაბლა უნდა დარჩეს. გარსის ტემპერატურა ცირკალოის დაჟანგვის ზღურბლზე (~1,200°C) დაბლა უნდა დარჩეს. ამ ზღურბლს ზემოთ ცირკონიუმი ორთქლთან ეგზოთერმულად რეაგირებს: Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂. სწორედ ამ რეაქციამ წარმოქმნა წყალბადი, რომელიც ფუკუშიმას 1-ელ, მე-3 & მე-4 ბლოკებში აფეთქდა.

ბუშტოვანი დუღილიდან გადახრა (DNB)

სითბოს კრიტიკული ნაკადის ზღვარი

PWR-ში გამაგრილებელი თხევად მდგომარეობაში რჩება ~155 ბარ წნევაზე (დუღილის წერტილი ~345°C). ორთქლის მცირე ბუშტები წარმოიქმნება გარსის ზედაპირზე & ნაკადი მათ თან მიაქვს: ეს არის ბუშტოვანი დუღილი, რომელიც სინამდვილეში სითბოს გადაცემის შესანიშნავ რეჟიმს წარმოადგენს.

თუ ლოკალური სითბური ნაკადი გადააჭარბებს კრიტიკულ მნიშვნელობას (სითბოს კრიტიკული ნაკადი, CHF), ბუშტები ერთიანდება & საწვავის ღეროს გარშემო უწყვეტ ორთქლის აპკს ქმნის. ეს ორთქლის აპკი იზოლატორად მოქმედებს. ორთქლი ვერ ართმევს საწვავს სითბურ ნაკადს: გარსის ტემპერატურა სწრაფად იზრდება. ამას ეწოდება ბუშტოვანი დუღილიდან გადახრა (DNB) ანუ სითბოს კრიტიკული ნაკადის გადაჭარბება.

DNB-ის შედეგი: თუ ნაკადი სწრაფად არ აღდგება, გარსის ტემპერატურა 1,200°C-მდე ადის, სადაც ცირკალოის დაჟანგვა იწყება, შემდეგ კი დნობის ზღვრისკენ (~1,850°C) მიიწევს. საწვავის ტაბლეტები იფანტება & დაშლის პროდუქტები გამაგრილებელში გამოიყოფა.

MDNBR (DNB-ის მინიმალური თანაფარდობა): ადგილობრივი კრიტიკული სითბური ნაკადის თანაფარდობა ფაქტობრივ სითბურ ნაკადთან, შეფასებული აქტიური ზონის ყველაზე შემზღუდავ ადგილას. უსაფრთხოების ზღვარი MDNBR ≥ 1.3 ყოველთვის შენარჩუნებულია (DNB-მდე 1.3× მარაგი). ეს ზღვარი ზღუდავს რეაქტორის მაქსიმალურ სიმძლავრეს & ნაკადის პირობებს.

ორფაზიანი ნაკადი: BWR-ში მოცულობითი დუღილი განზრახ ხდება: აქტიური ზონა ორფაზიან ნაკადში მუშაობს (წყალი + ორთქლი). BWR-ებში ეკვივალენტური ზღვარია კრიტიკული სიმძლავრის თანაფარდობა (CPR) ან კრიტიკული სიმძლავრის მინიმალური თანაფარდობა (MCPR) ≥ 1.2.

აქტიური ზონის ტემპერატურული პროფილი: ღერძული სითბური ნაკადი მიჰყვება ნეიტრონული ნაკადის ღერძულ პროფილს (ახალ აქტიურ ზონაში დაახლოებით წაკვეთილი კოსინუსის ფორმით). პიკური ნაკადი (& DNB-ის უმაღლესი რისკი) აქტიური ზონის შუა სიბრტყეზე მოდის. რადიალური პიკი ცენტრალურ კასეტებშია. ცხელი არხის კოეფიციენტი (Fq ან F∆H) აჩვენებს, რამდენად აღემატება პიკური ადგილობრივი სიმძლავრე აქტიური ზონის საშუალო სიმძლავრეს: PWR-ში ჩვეულებრივ 2.5–3.0.

რატომ განსაზღვრავს DNB კრიტიკულ უსაფრთხოების ზღვარს

PWR და BWR: დომინანტური კონსტრუქციები

მსუბუქწყლიანი რეაქტორები

მსუბუქწყლიანი რეაქტორები (LWR) მსოფლიოს კომერციული ბირთვული სიმძლავრის ~85%-ს შეადგენს.

წნევიანი წყლის რეაქტორი (PWR)

- პირველადი კონტური: წყალი ~155 ბარ (15.5 მპა) წნევაზე, ~290–325°C: დუღილის წერტილზე მაღალი წნევის ქვეშ, რჩება თხევად მდგომარეობაში

- სითბოგადამცვლელი: ორთქლის გენერატორები სითბოს გადასცემენ პირველადი კონტურიდან მეორად კონტურს

- მეორადი კონტური: წყალი ~60 ბარ წნევაზე, წარმოქმნის ~280°C ტემპერატურის ორთქლს ტურბინების ასამუშავებლად

- უპირატესობა: პირველადი რადიოაქტიური წყალი ტურბინას არასოდეს ეხება. ტექნიკური მომსახურება უფრო მარტივია.

- სიმძლავრე: 900–1,700 მგვტ(ე) თითო ენერგობლოკზე. თერმული მარგი ქმედების კოეფიციენტი ~33%.

- მაგალითები: Westinghouse AP1000, ფრანგული EPR, რუსული VVER

მდუღარე წყლის რეაქტორი (BWR)

- პირდაპირი ციკლი: წყალი დუღს რეაქტორის კორპუსის შიგნით, ~75 ბარ წნევაზე (~290°C). ორთქლი პირდაპირ ტურბინაში მიდის.

- ორთქლის გენერატორები არ არის საჭირო: სისტემა უფრო მარტივია & კორპუსს ნაკლები წნევის გაძლება სჭირდება

- ტურბინა ოდნავ რადიოაქტიურია (ორთქლს თან მიაქვს დაშლის აირები): საჭიროა დამცავი ეკრანირება & დისტანციური ტექნიკური მომსახურება

- სიმძლავრეს მართავენ მართვის ღეროებით & ასევე რეცირკულაციის ნაკადის სიჩქარით (მეტი ნაკადი → ნაკლები ორთქლის სიცარიელე → უფრო ძლიერი შენელება → მეტი სიმძლავრე)

- პასიური უსაფრთხოება: დაბალი წნევა ნიშნავს ნაკლებ დაგროვილ ენერგიას და ავარიული აქტიური ზონის გაგრილების სისტემის (ECCS) უფრო მარტივ კონსტრუქციას

- თერმული მარგი ქმედების კოეფიციენტი ~33%, PWR-ის მსგავსი

- მაგალითები: GE BWR/6, ABWR, ESBWR

VVER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor, წყალ-წყლიანი ენერგეტიკული რეაქტორი): საბჭოთა/რუსული PWR-ის კონსტრუქცია. აქვს ჰორიზონტალური ორთქლის გენერატორები, დასავლურ PWR-ებში კი ისინი ვერტიკალურია. საწვავის კასეტას ექვსკუთხა გეომეტრია აქვს, დასავლურში კი კვადრატული. თანამედროვე VVER-ები (VVER-1200) დასავლურ უსაფრთხოების სტანდარტებს აკმაყოფილებს.

CANDU და RBMK: წნევის მილის კონსტრუქციები

წნევის ჭურჭლის ალტერნატივები

CANDU (Canada Deuterium Uranium, კანადური დეიტერიუმ-ურანის რეაქტორი)

- ჰორიზონტალური წნევის მილები შეიცავს საწვავს & გამაგრილებელს (D₂O მაღალი წნევის ქვეშ). მათ გარს აკრავს დაბალი წნევის D₂O შემნელებელი კალანდრიის ჭურჭელში

- ონლაინ გადატვირთვა საწვავით: საწვავი იცვლება მაშინ, როცა რეაქტორი სრული სიმძლავრით მუშაობს, გაჩერების გარეშე. საწვავის ჩამტვირთავი მანქანა თითოეულ წნევის მილს ცალ-ცალკე უკავშირდება. ეს საწვავის შესაცვლელი გაჩერებების გარეშე 100%-იანი სიმძლავრის კოეფიციენტის მიღწევის საშუალებას იძლევა (PWR-ები საწვავის შესაცვლელად დაახლოებით ყოველ 18 თვეში ჩერდება)

- ბუნებრივი ურანის საწვავი (UO₂): გამდიდრება არ სჭირდება. ამის საშუალებას CANDU-ს ნეიტრონული ეკონომია იძლევა.

- ასევე იღებს MOX საწვავს, თორიუმის საწვავს & LWR-ის ნამუშევარ საწვავს (გადამუშავება)

- რეაქტიულობის ყველა კოეფიციენტი უარყოფითია: შინაგანად სტაბილური

- მაგალითი: CANDU-6 (700 MWe), ACR-1000 (მოწინავე კონსტრუქცია მსუბუქი წყლის გამაგრილებლით)

RBMK-1000 (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy: მაღალი სიმძლავრის არხული რეაქტორი)

- საბჭოთა კონსტრუქცია: გრაფიტის შემნელებელი, მსუბუქი წყლის გამაგრილებელი ვერტიკალურ წნევის მილებში

- დიდი (1,000–1,500 MWe), დაბალი გამდიდრების ურანი, საწვავის ჩატვირთვა მუშაობის შეუჩერებლად

- ფიზიკის ფატალური ხარვეზი: დადებითი ორთქლის (სიცარიელის) კოეფიციენტი დაბალ სიმძლავრეზე, როცა ღეროები ამოწეულია (დაწვრილებით აღწერილია რეაქტიულობის კოეფიციენტების განყოფილებაში)

- დამატებითი კონსტრუქციული ხარვეზი: გრაფიტის წვერის ეფექტი. მართვის ღეროებს გრაფიტის წვერები ჰქონდათ. როცა ღეროს სრულად ამოწეული მდგომარეობიდან ჩაუშვებდნენ, ის ჯერ აქტიური ზონის ქვედა ნაწილიდან წყალს გამოდევნიდა (რითაც პარაზიტული შთანთქმა ქრებოდა), სანამ შთამნთქმელი ნაწილი აქტიურ ზონაში შევიდოდა. ამიტომ SCRAM-ისთვის ღეროების ჩაშვება თავდაპირველად ხანმოკლე დადებით რეაქტიულობის იმპულსს იწვევდა, ანუ სასურველის საპირისპირო ეფექტს.

- ამ ორმა ხარვეზმა ერთად გამოიწვია ჩერნობილის კატასტროფა.

- ყველა დარჩენილი RBMK სადგური მოდერნიზებულია, რათა შემცირდეს დადებითი ორთქლის კოეფიციენტი & გადაკეთდეს ღეროების კონსტრუქცია. ისინი კვლავ უნიკალურად საბჭოთა კონსტრუქციად რჩება, რომელსაც დასავლური ანალოგი არ გააჩნია.

IV თაობის რეაქტორების კონცეფციები

არსებული ფლოტის მიღმა

IV თაობის საერთაშორისო ფორუმმა (GIF) განვითარებისთვის გამოყო რეაქტორის ექვსი კონცეფცია, რომელთა დანერგვა დაახლოებით 2030 წლიდან იგეგმება:

გამდნარი მარილის რეაქტორი (MSR): საწვავი გახსნილია გამდნარ ფტორიდულ მარილში (LiF-BeF₂ ან NaF-ZrF₄). არ არსებობს მყარი საწვავი. არ არსებობს არც საწვავის გარსი, რომელიც შეიძლება გადნეს. პასიური დრენაჟი გაყინული საცობის მეშვეობით: თუ ელექტროენერგია დაიკარგება, გაყინული საცობი დნება & მარილი ჩაედინება სუბკრიტიკულ გეომეტრიაში. მუშაობს ატმოსფერულ წნევაზე (~650°C). შესაძლებელია თორიუმის კვლავწარმოება.

თხევადი ფტორიდული თორიუმის რეაქტორი (LFTR): MSR-ის კონკრეტული დიზაინი, რომელიც იყენებს Th-232/U-233 კვლავწარმოების ციკლს. თორიუმი ბუნებაში ურანზე ~3-ჯერ მეტია. U-233 წარმოიქმნება Th-232-დან (Th + n → Pa-233 → U-233). LFTR ძალიან ცოტა ხანგრძლივად არსებულ აქტინიდურ ნარჩენს წარმოქმნის. მისი მხარდამჭერები დიდი ენთუზიაზმით გამოირჩევიან, თუმცა საინჟინრო გამოწვევები (კოროზია მაღალ ტემპერატურაზე, მარილის ქიმიის კონტროლი) კვლავ სერიოზულია.

ნატრიუმით გაგრილებადი სწრაფი რეაქტორი (SFR): თხევადი ნატრიუმის გამაგრილებელი, სწრაფი ნეიტრონების სპექტრი, კვლავწარმოების ან აქტინიდების ტრანსმუტაციის პოტენციალი. გამოწვევები: ნატრიუმი რეაგირებს წყალთან & ჰაერთან (საჭიროებს ინერტულ ატმოსფეროს). არსებული მაგალითები: BN-800 (რუსეთი), Superphénix (საფრანგეთი, ექსპლუატაციიდან გამოყვანილი), Monju (იაპონია, დაიხურა ავარიის შემდეგ). EBR-II-მ (აშშ) 1986 წელს პასიური უსაფრთხოება აჩვენა: როდესაც გამაგრილებლის ნაკადი განზრახ შეწყვიტეს, რეაქტორი თავად გაჩერდა უსაფრთხოდ, SCRAM-ის გარეშე.

ტყვიით გაგრილებადი სწრაფი რეაქტორი (LFR): ტყვიის ან ტყვია-ბისმუტის გამაგრილებელი. ტყვია არ რეაგირებს წყალთან ან ჰაერთან (ნატრიუმისგან განსხვავებით). დუღილის მაღალი ტემპერატურა (1,740°C), წნევის შექმნა საჭირო არ არის. ბუნებრივი ცირკულაციით გაგრილება, სავარაუდოდ, შესაძლებელია. გამოწვევა: ტყვია ძალიან მძიმეა & მაღალ ტემპერატურაზე ფოლადს აზიანებს კოროზიით. რუსული წყალქვეშა ნავების რეაქტორებში Pb-Bi გამაგრილებელს იყენებდნენ.

ზეკრიტიკული წყლის რეაქტორი (SCWR): წყალი კრიტიკულ წერტილზე მაღლა (374°C, 221 ბარი), ერთფაზიანი, ძალიან მაღალი ენთალპიით. თერმული მარგი ქმედების კოეფიციენტი შეიძლება ~44%-ს მიაღწიოს, დღევანდელი LWR-ების ~33%-ის საპირისპიროდ. აერთიანებს BWR-ის სიმარტივეს & მაღალ ეფექტიანობას. ზეკრიტიკულ პირობებში მასალებთან დაკავშირებული სერიოზული გამოწვევები ჩნდება.

ძალიან მაღალტემპერატურული რეაქტორი (VHTR): ჰელიუმით გაგრილებადი, გრაფიტით შენელებადი, გამოსასვლელი ტემპერატურა 700–950°C. შესაძლებელს ხდის წყალბადის წარმოებას თერმოქიმიური ციკლებით. TRISO საწვავის ნაწილაკები (კერამიკული გარსით დაფარული მიკროსფეროები) დაშლის პროდუქტებს აქტიური გაგრილების გარეშეც აკავებს. მაგალითი: HTR-PM (ჩინეთი, ექსპლუატაციაში 2023 წლიდან).

რეაქტორის ტიპის არჩევა

რენკინის ციკლი

სითბოს მუშაობად გარდაქმნა

ბირთვული სადგური ორთქლის ელექტროსადგურია. კარნოს ეფექტიანობის თეორემა ზედა ზღვარს ადგენს:

η_Carnot = 1 - T_cold/T_hot (ტემპერატურა კელვინებში)

PWR-ის ორთქლის პირობები: T_hot ≈ 280–290°C (553–563 K), T_cold ≈ 30–40°C (303–313 K)

η_Carnot = 1 - 308/558 ≈ 0.45 (45%)

ფაქტობრივი თერმული მარგი ქმედების კოეფიციენტი ≈ 33%: სხვაობას რეალურ ციკლში შეუქცევადი პროცესები იწვევს (ტურბინის დანაკარგები, ტუმბოს სამუშაო, ტემპერატურული სხვაობა სითბოს გადაცემისას, ორთქლში არსებული ტენი).

რენკინის ციკლის საფეხურები:

1. მკვებავი ტუმბო: გადაცივებული თხევადი წყალი ქვაბის წნევამდე იტუმბება (მცირე სამუშაოს დანახარჯი)

2. ორთქლის გენერატორი / ქვაბი: რეაქტორის სითბო წყალს ორთქლად გარდაქმნის (დიდი რაოდენობის სითბოს მიწოდება)

3. მაღალი წნევის ტურბინა (HP): ორთქლი ფართოვდება, ატრიალებს ტურბინის ლილვს, კარგავს წნევას & ტემპერატურას

4. ტენის სეპარატორი / ხელახალი გამაცხელებელი: სველი ორთქლი შრება & ხელახლა ცხელდება ტურბინის საფეხურებს შორის

5. დაბალი წნევის ტურბინა (LP): ორთქლი კიდევ უფრო ფართოვდება კონდენსატორის წნევამდე

6. კონდენსატორი: გამაგრილებელი წყალი (მდინარე, ოკეანე, გამაგრილებელი კოშკი) ორთქლს კვლავ სითხედ აკონდენსირებს

7. კვების წყლის გამაცხელებლები: ტურბინის საფეხურებიდან გამოყოფილი ორთქლი გამოიყენება კვების წყლის წინასწარ გასაცხელებლად (რეგენერაცია: ზრდის ციკლის ეფექტიანობას, რადგან ამცირებს ქვაბში მიწოდებულ სითბოს & კონდენსატორში გაცემულ სითბოს)

რატომ მუშაობს ბირთვული სადგური ~33%-იანი ეფექტიანობით, ნახშირისა/CCGT-ის 40–43%-ის საპირისპიროდ: ბირთვული სადგურის ორთქლს მნიშვნელოვნად დაბალი ტემპერატურა & წნევა აქვს, ვიდრე თანამედროვე წიაღისეული საწვავის სადგურის ორთქლს. ნახშირის სადგურს შეუძლია 600°C ორთქლის მიღება (ზეკრიტიკული); PWR შეზღუდულია ~280°C-ით კომპენსატორის (პრესურაიზერის) შეზღუდვებისა & საწვავის ტემპერატურის ზღვრების გამო. დაბალი T_hot → დაბალი კარნოს ზღვარი → დაბალი მიღწევადი ეფექტიანობა.

რატომ მუშაობს ბირთვული სადგური საბაზისო რეჟიმში: საწვავის ხარჯი თითქმის მთლიანად წინასწარ იფარება (გამდიდრება + დამზადება). ცვლადი საოპერაციო ხარჯი (საწვავის ღირებულება ერთ MWh-ზე) ძალიან დაბალია (~$7/MWh, გაზის ~$30/MWh-ის საპირისპიროდ). კაპიტალური ხარჯი ძალიან მაღალია. ეს ბირთვულ სადგურებს ანიჭებს ყველაზე დაბალ ზღვრულ საოპერაციო ხარჯს ყველა მართვად გენერატორს შორის: ეკონომიკურად მომგებიანია 100%-იანი სიმძლავრით უწყვეტად მუშაობა. ბირთვულ სადგურს, როგორც წესი, პირველს რთავენ დისპეტჩერიზაციის რიგში (merit order).

ბირთვული ეფექტურობა კომბინირებული ციკლის გაზთან შედარებით

წერტილოვანი კინეტიკის განტოლებები

როგორ იცვლება სიმძლავრე დროში

წერტილოვანი კინეტიკის განტოლებები აღწერს ნეიტრონების პოპულაციის (& შესაბამისად რეაქტორის სიმძლავრის) ცვლილებას დროში, როგორც რეაქტიულობის ფუნქციას:

dN/dt = [(ρ - β)/ℓ]·N + Σᵢ λᵢ·Cᵢ + S

dCᵢ/dt = (βᵢ/ℓ)·N - λᵢ·Cᵢ

სადაც N = ნეიტრონების პოპულაცია, ρ = რეაქტიულობა, β = დაგვიანებული ნეიტრონების ჯამური წილი, ℓ = მყისიერი ნეიტრონების სიცოცხლის ხანგრძლივობა, Cᵢ = i ჯგუფის დაგვიანებული ნეიტრონების წინამორბედების კონცენტრაცია, λᵢ = i ჯგუფის დაშლის მუდმივა, S = ნეიტრონების გარე წყარო.

რეაქტიულობის მცირე შეყვანისას (ρ << β) ამოხსნა იძლევა სტაბილურ პერიოდს:

T ≈ β / (ρ · λ̄)

სადაც λ̄ არის დაგვიანებული ნეიტრონების დაშლის ეფექტური მუდმივა (~0.08 s⁻¹). ρ = 0.01$ = 0.0001 (1 ცენტი) შემთხვევაში:

T ≈ 0.0065 / (0.0001 × 0.08) ≈ 813 წამი: ძალიან სტაბილური.

ρ = 0.50$ = 0.00325 შემთხვევაში:

T ≈ 0.0065 / (0.00325 × 0.08) ≈ 25 წამი: ჯერ კიდევ მართვადი.

მყისიერი ნახტომის მიახლოება: რეაქტიულობის უეცარი შეყვანისას ნეიტრონების პოპულაცია მყისიერად ხტება ახალ დონეზე (მყისიერი ნეიტრონების დროის მასშტაბში, ~10 µs), სანამ დაგვიანებული ნეიტრონების უფრო ნელი დინამიკა აიღებს სადავეებს. მყისიერი ნახტომის კოეფიციენტი უდრის 1/(1-ρ/β)-ს. ρ = 0.50$-ისთვის სიმძლავრე მყისიერად იზრდება 1/(1-0.5) = 2-ჯერ, შემდეგ კი მატულობს 25-წამიანი პერიოდით. ეს ხსნის, რატომ იწვევს რეაქტიულობის მცირე შეყვანაც კი სიმძლავრის მყისიერ, თვალსაჩინო რეაქციას.

რეაქტორის გაშვება და ღეროების ჩაგდების ტესტები

კრიტიკულობასთან მიახლოება

გაშვების პროცედურა: რეაქტორი იწყებს სუბკრიტიკულ მდგომარეობაში. მმართველ ღეროებს ნელა ამოწევენ. ღეროების ამოწევასთან ერთად k ქვემოდან უახლოვდება 1.000-ს.

1/M გრაფიკი (სუბკრიტიკული გამრავლება): კრიტიკულობამდე აკონტროლებენ ნეიტრონების დათვლის სიჩქარეს გაშვების წყაროდან. სუბკრიტიკულ რეაქტორში, რომელსაც აქვს გარე წყარო S & გამრავლება M = 1/(1-k):

დათვლის სიჩქარე ∝ M = 1/(1-k)

1/(დათვლის სიჩქარე)-ის გრაფიკი ღეროს პოზიციის მიმართ იძლევა მრუდს, რომლის ექსტრაპოლაცია კრიტიკულობის წერტილში ნულს აღწევს. ოპერატორები კრიტიკულობასთან მიახლოებისას აგებენ 1/M-ის გრაფიკს & ექსტრაპოლაციით წინასწარ განსაზღვრავენ ღეროს კრიტიკულ პოზიციას. თუ 1/M მოსალოდნელზე სწრაფად მცირდება, კრიტიკულობა პროგნოზირებულზე ახლოსაა: ოპერატორმა ნელა უნდა იმოქმედოს.

ღეროს ჩაგდების ტესტი: მართვის ღეროს ცნობილი პოზიციიდან აქტიურ ზონაში აგდებენ. უარყოფითი რეაქტიულობის უეცარი შეყვანა სიმძლავრის ექსპონენციალურ შემცირებას იწვევს. შემცირების სიჩქარის გაზომვით შესაძლებელია ღეროს ეფექტურობის (rod worth) გამოთვლა.

საწყისი კლება მიჰყვება ფორმულას: P(t) = P₀·exp(-t/T_negative)

სადაც T_negative დამოკიდებულია მმართველი ღეროს ეფექტურობაზე (rod worth). მეტი ეფექტურობა = უფრო სწრაფი კლება.

შებრუნებული პერიოდის მრიცხველი: მართვის ოთახში ნაჩვენებია რეაქტორის პერიოდი (დადებითი = სიმძლავრე იზრდება, უარყოფითი = სიმძლავრე მცირდება). ნორმალური გაშვებისას პერიოდი 30–60 წამის ფარგლებში ნარჩუნდება. განგაში ირთვება, თუ პერიოდი 20 წამზე ნაკლები ხდება. ავტომატური SCRAM (ავარიული გაჩერება) ხდება, თუ პერიოდი ~10 წამზე ნაკლები ხდება.

კრიტიკულობის ავარიები (ისტორიული): ადრეული ბირთვული პროგრამის კრიტიკულობის ავარიებში (ლოს-ალამოსის „დრაკონის“ ექსპერიმენტები, რეაქტორი SL-1, ტოკაიმურა იაპონიაში) საერთო ფაქტორი იყო რეაქტიულობის უკონტროლო დამატება მყისიერი კრიტიკულობის ზღვარს მიღმა. ლოს-ალამოსში ფიზიკოსები შიშველ პლუტონიუმის ნახევარსფეროებს იყენებდნენ: ნებისმიერი შეცდომა, რომელიც მათ ზედმეტად დააახლოებდა ერთმანეთთან, მყისიერ კრიტიკულობას გამოიწვევდა. ლუის სლოტინი 1946 წელს ერთ ასეთ ავარიას მცირე ხნით გადაურჩა; ჰარი დაღლიანი 1945 წელს ვერ გადარჩა.

SL-1: მყისიერი კრიტიკულობა ღეროს ამოგდების შედეგად (1961)

SL-1: მსოფლიოში პირველი რეაქტორული ავარია ლეტალური შედეგით

SL-1 (სტაციონარული დაბალი სიმძლავრის რეაქტორი ნომერი ერთი) იყო აშშ-ის არმიის მცირე ექსპერიმენტული რეაქტორი აიდაჰოს ეროვნულ ლაბორატორიაში. 1961 წლის 3 იანვარს სამი ოპერატორი ტექნიკურ მომსახურებას ასრულებდა: მართვის ღეროებს ხელით ხელახლა აერთებდნენ.

ავარია: ცენტრალური მართვის ღერო ხელით ამოწიეს დაახლოებით 67 სმ-ით (26 დიუმი) დაახლოებით 0.5 წამში. ამ ერთი ღეროს ამოწევამ დაამატა დაახლოებით 3–4 დოლარი ($3-4) დადებითი რეაქტიულობა. ეს ბევრად აღემატებოდა მყისიერი კრიტიკულობის ზღვარს, რომელიც 1$-ია.

ფიზიკა: ρ > β = 1$ პირობებში რეაქტორმა მყისიერ კრიტიკულობას მიაღწია. წერტილოვანი კინეტიკის განტოლებები აჩვენებს, რომ მყისიერი კრიტიკულობისას სტაბილური პერიოდი მყისიერი ნეიტრონების სიცოცხლის ხანგრძლივობამდე (~10 µs) მცირდება. სიმძლავრე ~10 000-ჯერ გაიზარდა დაახლოებით 4 მილიწამში.

ენერგიის გამოყოფა: პირველ 4 ms-ში დაახლოებით 1.3 × 10¹⁷ გაყოფა მოხდა. გამაგრილებელი აფეთქებით, მყისიერად გადაიქცა ორთქლად. ორთქლის აფეთქებამ წყლის მასა ~160 კმ/სთ სიჩქარით ზემოთ ისროლა. მას თან გაჰყვა რეაქტორის ჭურჭლის სახურავი & მასზე მიმაგრებული ღეროები. ერთ ოპერატორს მართვის ღერო გაუყარა სხეულში & ჭერზე მიაჭედა.

მიზეზი: რატომ ჰქონდა ერთ ღეროს 3-4 დოლარის ეფექტურობა? SL-1-ში მთელ რეაქტორს მხოლოდ სამი ღერო მართავდა, ამიტომ თითოეული ღეროს ეფექტურობა ძალიან მაღალი იყო. მარტო ცენტრალური ღეროს ეფექტურობა ~5$ იყო. გარდა ამისა, რეაქტორი ექსპლუატაციის დასაწყისში ახალი საწვავით მჭიდროდ იყო დატვირთული & მასში ქსენონი არ იყო დაგროვილი. ეს რეაქტიულობის მაქსიმალური მდგომარეობაა.

გაკვეთილები: რეაქტორის კონსტრუქციამ უნდა უზრუნველყოს, რომ არცერთი ღეროს ამოგდებამ ვერ გამოიწვიოს მყისიერი კრიტიკულობა. ღეროს ეფექტურობის ზღვრები დღეს სტანდარტული საპროექტო მოთხოვნაა. SL-1 ავარიამ პირდაპირ განაპირობა მოთხოვნები დამოუკიდებელი გაჩერების სისტემებისა & ცალკეული ღეროს ეფექტურობის ზღვრების მიმართ.

სამი მილის კუნძული: LOCA + ოპერატორის დაბნეულობა (1979)

TMI-2: სისტემური ავარია

სამი მილის კუნძულის მე-2 ბლოკზე (PWR, 906 MWe, პენსილვანია) 1979 წლის 28 მარტს აქტიური ზონის ნაწილობრივი დნობა მოხდა. მყისიერი კრიტიკულობა არ დამდგარა: თავად რეაქტორმა წარმატებით შეასრულა ავარიული გაჩერება (SCRAM). ეს ავარია წარმოადგენდა გამაგრილებლის დაკარგვის ავარიას (LOCA), რომელსაც ოპერატორის შეცდომა დაერთო.

საწყისი მოვლენა: წნევის კომპენსატორზე (პრესურაიზერზე) პილოტით მართული დამცავი სარქველი (PORV) ღია მდგომარეობაში გაიჭედა. წნევის მატებისას სარქველი სწორად გაიხსნა, შემდეგ კი ვეღარ დაიხურა. ღია სარქველიდან პირველადი გამაგრილებელი განუწყვეტლივ გაედინებოდა.

მთავარი გაუგებრობა: მართვის პანელზე ნათურა აჩვენებდა, რომ PORV-მა დახურვის სიგნალი მიიღო. თუმცა ეს ნათურა მხოლოდ სიგნალის ინდიკატორი იყო და სარქველის პოზიციას არ აჩვენებდა. სარქველი ღია იყო, ოპერატორებს კი ეგონათ, რომ დახურული იყო. მათ დაინახეს „პრესურაიზერის დონე იზრდება“ & დაასკვნეს, რომ სისტემა გადავსებული იყო. სინამდვილეში წყლის დონე იმიტომ იმატებდა, რომ ორთქლის სივრცე ივსებოდა. ეს წნევის დაკარგვის სიმპტომი იყო და არა წყლის დიდი მარაგის. ოპერატორებმა აქტიური ზონის ავარიული გაგრილების ინჟექცია შეამცირეს.

აქტიური ზონა: დაახლოებით 2 საათისა & 20 წუთის განმავლობაში აქტიური ზონა ნაწილობრივ გაშიშვლებული იყო. გაგრილების გარეშე ნარჩენმა სითბომ საწვავის ტემპერატურა 1,200°C-ზე მაღლა აიყვანა (გახსოვდეთ: ნარჩენი სითბო სრული სიმძლავრის ~1%-ს შეადგენს გაჩერების შემდეგაც კი). ცირკალოი ორთქლით დაიჟანგა (Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂). საწვავის დაახლოებით 45% დადნა & ჭურჭლის ფსკერზე ჩაედინა.

ჰერმეტული გარსის წარმატება: აქტიური ზონის მძიმე დაზიანების მიუხედავად, ჰერმეტულმა შენობამ დაშლის პროდუქტების მნიშვნელოვანი გაფრქვევა არ დაუშვა. გარემოში მოხვდა დაახლოებით 17 კიური რადიოიოდი & 2.5 მილიონი კიური კეთილშობილი აირი. ეს მნიშვნელოვანი გაფრქვევა იყო, მაგრამ კატასტროფულ დონეს ბევრად ჩამოუვარდებოდა. რადიაციით გამოწვეული სიკვდილის შემთხვევა არ დაფიქსირებულა.

გაკვეთილები: ადამიანური ფაქტორების ინჟინერია ბირთვულ უსაფრთხოებაში სავალდებულო გასათვალისწინებელ საკითხად იქცა. მართვის ოთახები გადაპროექტდა. კრიტიკული სარქველებისთვის სიგნალის ინდიკატორები პოზიციის ინდიკატორებმა ჩაანაცვლა. საგანგებო ოპერირების პროცედურები გადაიწერა სიმპტომზე დაფუძნებული (და არა მოვლენაზე დაფუძნებული) რეაგირებისთვის. ბირთვული მარეგულირებელი კომისია რესტრუქტურიზაციას დაექვემდებარა.

ჩერნობილი: სიცარიელის დადებითი კოეფიციენტი + ოპერატორის მიერ დაცვის გადაფარვა (1986)

ჩერნობილი: ფიზიკის სრულყოფილი ქარიშხალი

ჩერნობილის ატომური ელექტროსადგურის მე-4 ენერგობლოკი (RBMK-1000, 3,200 მგვტ თბური სიმძლავრე) 1986 წლის 26 აპრილს, უსაფრთხოების ტესტის დროს, საკუთარმა თავმა გაანადგურა. ავარია გამოიწვია რეაქტორის ხარვეზიანი დიზაინის & ოპერატორების გადაწყვეტილებების სერიის თანხვედრამ: ამ გადაწყვეტილებებმა რეაქტორი მის ყველაზე სახიფათო კონფიგურაციაში მოაქცია.

ტესტი: ტურბინის ინერციული გაჩერების ტესტს უნდა ეჩვენებინა, რომ ინერციით მბრუნავ ტურბინას შეეძლო საკმარისი ენერგიის მიწოდება ავარიული გაგრილების ტუმბოებისთვის დაახლოებით 75 წამის განმავლობაში, სანამ დიზელ-გენერატორები ჩაირთვებოდა. ტესტი მანამდე სამჯერ სცადეს & სამივეჯერ ჩავარდა. ეს მეოთხე მცდელობა იყო.

წინაპირობები (თითოეული ცალკე სახიფათოა; ერთად კი ფატალური):

1. ქსენონით მოწამვლა: 9-საათიანმა შეფერხებამ (ელექტროქსელის მოთხოვნის გამო) ქსენონის დაგროვება გამოიწვია. ტესტის გასაგრძელებლად ოპერატორებმა თითქმის ყველა მმართველი ღერო ამოიღეს. ექსპლუატაციის ტექნიკური რეგლამენტი აქტიურ ზონაში მინიმუმ 15 მმართველ ღეროს მოითხოვდა; ავარიის მომენტში ჩაშვებული იყო 6–8.

2. დაბალი სიმძლავრე: რეაქტორი მუშაობდა ~200 მგვტ(თ) სიმძლავრეზე (ნომინალურის ~6%). სიმძლავრის ამ დიაპაზონში RBMK-ის ორთქლის (სიცარიელის) კოეფიციენტი ყველაზე მეტად დადებითი იყო.

3. გამაგრილებლის ტუმბოები სრული ნაკადით: ტესტისთვის დამატებითი ტუმბოები მუშაობდა, რის გამოც წყალი დუღილის ტემპერატურაზე ცივი შედიოდა. ეს დუღილს თრგუნავდა & სიმძლავრის შესანარჩუნებლად ღეროების კიდევ უფრო მეტად ამოწევას მოითხოვდა.

4. AZ-5 ღეროების კონსტრუქციული ნაკლი: სრულად ამოწეული მდგომარეობიდან ჩაშვებისას გრაფიტის წვეროიანი ღეროები მოკლე ხნით დადებით რეაქტიულობას მატებდა, სანამ შთანთქმის სექცია აქტიურ ზონაში შევიდოდა.

ავარიის თანმიმდევრობა:

- ტესტი იწყება. ტურბინის დროსელი იხურება. გამაცივებლის ნაკადი მცირდება. წყალი დუღილს იწყებს.

- სიცარიელის დადებითი კოეფიციენტი რეაქტიულობას მატებს. სიმძლავრე იზრდება.

- ოპერატორები აცნობიერებენ სიტუაციას & აჭერენ AZ-5-ს (საავარიო SCRAM: ყველა ღერო ჩადის ზონაში).

- მართვის 211-ვე ღეროს გრაფიტის ბოლოები ერთდროულად შედის აქტიურ ზონაში & მოკლე დროით ~3$ დადებით რეაქტიულობას მატებს: ზუსტად საპირისპიროს იმისა, რაც უნდა მომხდარიყო.

- დაახლოებით 3 წამში სიმძლავრემ მიაღწია სავარაუდოდ 30,000 MWt-ს (~10× ნომინალური სიმძლავრე), ზოგიერთ საწვავის არხში კი, შესაძლოა, 30,000×-მდე.

- მყისიერი კრიტიკულობის ექსკურსია. საწვავის ფრაგმენტაცია იწვევს ორთქლის აფეთქებას. მეორე, უფრო ძლიერი აფეთქება (სავარაუდოდ, მყისიერი კრიტიკულობა საწვავის უფრო დიდ მასაში) 2–3 წამის შემდეგ მოჰყვება.

- რეაქტორის 1,000-ტონიანი სახურავი აფეთქებამ მოგლიჯა. გრაფიტი & მწველი საწვავი მთელ ტერიტორიაზე გაიფანტა.

რატომ მოხდა ეს RBMK-ში & რატომ ვერ მოხდებოდა LWR-ში:

- LWR-ებში უარყოფითი სიცარიელის კოეფიციენტი ნიშნავს, რომ დუღილი სიმძლავრეს ამცირებს და არა ზრდის

- LWR-ის მართვის ღეროებს გრაფიტის წვერები არ აქვს: SCRAM ყოველთვის უარყოფით რეაქტიულობას მატებს

- LWR-ის საწვავი გამდიდრებულია: სიმძლავრის შესანარჩუნებლად მართვის ღეროების უკიდურესად მცირე ჩაშვება არ სჭირდება

ავარიების შედარებითი ანალიზი

სიღრმისეული დაცვა

რატომ აქვთ რეაქტორებს უსაფრთხოების მრავალი დამოუკიდებელი ბარიერი

თანამედროვე ბირთვული უსაფრთხოება ეფუძნება სიღრმისეულ დაცვას: მრავალ დამოუკიდებელ ბარიერს. თითოეული ბარიერი ავარიას თავიდან იცილებს ან მის შედეგებს ამსუბუქებს, თუნდაც წინა ბარიერები მწყობრიდან გამოვიდეს.

ხუთი ბარიერი მსუბუქწყლიან რეაქტორში (LWR):

1. საწვავის მატრიცა: UO₂ კერამიკა ბირთვული გახლეჩის პროდუქტების ~97%-ს იკავებს მაღალ ტემპერატურაზეც კი

2. საწვავის გარსი: ცირკალოის მილები შეიცავს საწვავის ტაბლეტებს და ხელს უშლის დაშლის პროდუქტების გამოყოფას გამაგრილებელში

3. პირველადი წნევის საზღვარი: რეაქტორის კორპუსი, წნევის კომპენსატორი და პირველადი გამაგრილებლის მილსადენი: 15 სმ ფოლადი

4. დამცავი შენობა (კონტეინმენტი): რკინაბეტონი + ფოლადის მოპირკეთება, გათვლილი შიდა ორთქლის აფეთქებისა და გარე თვითმფრინავის დარტყმის გასაძლებად

5. გამორიცხვის ზონა: მიწათსარგებლობის შეზღუდვები ობიექტის გარშემო

საავარიო სისტემები (აქტიური):

- ECCS (აქტიური ზონის საავარიო გაგრილების სისტემა): მაღალი & დაბალი წნევის ინჟექციის სისტემები, რომლებიც აქტიურ ზონას წყლით ავსებს, თუ პირველადი გამაგრილებელი დაიკარგება

- SCRAM (Safety Control Rod Axe Man, ანუ „უსაფრთხოების მართვის ღეროს ნაჯახიანი კაცი“: თავდაპირველი ტერმინი სიტყვასიტყვითი იყო): ყველა მართვის ღერო ჩადის <2 წამში

- ჰერმეტული გარსის შესხურება: წყლის ნისლი აგრილებს ჰერმეტულ გარსს & ამცირებს მასში წნევას ავარიის შემდეგ

პასიური უსაფრთხოება (Gen III+ დიზაინები: AP1000, ESBWR):

- რეაქტორის ზემოთ განთავსებული, გრავიტაციით მკვებავი წყლის ავზები: არ საჭიროებს ტუმბოებს ან ცვლად დენს

- ბუნებრივი ცირკულაციით გაგრილება, რომელიც წყლის სიმკვრივეთა სხვაობას იყენებს: ტუმბოები საჭირო არ არის

- პასიური ავტოკატალიზური რეკომბინატორები (PARs) დამცავ გარსში: გარდაქმნის H₂ + O₂ → H₂O-ად აალების გარეშე, რაც წყალბადის აფეთქებებს თავიდან აცილებს

- AP1000 შექმნილია 72-საათიანი საშეღავათო პერიოდისთვის, ოპერატორის ჩარევის გარეშე

ფუკუსიმას გაკვეთილი: AP1000-ის პასიური უსაფრთხოების სისტემები სპეციალურად ფუკუსიმაზე მომხდარი მტყუნების რეჟიმების საპასუხოდ შეიქმნა. ფუკუსიმაზე ECCS-ის აქტიური ტუმბოები AC კვების გარეშე დარჩა (ცუნამმა გენერატორები დატბორა). პასიურ სისტემებს გარე კვება არ სჭირდებათ.

შექმენით უსაფრთხო რეაქტორი

ყველაფრის შეჯამება

ახლა თქვენ გაქვთ ბირთვული ინჟინერიის ფიზიკის სრული ინსტრუმენტარიუმი: ოთხფაქტორიანი ფორმულა, კრიტიკულობა, დაგვიანებული ნეიტრონები, შენელება (მოდერაცია), საწვავის ციკლი, რეაქტიულობის კოეფიციენტები, თერმოჰიდრავლიკა & ავარიების ანალიზი.