Perangkat dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir didasarkan pada inisialisasi dan kontrol reaksi nuklir mandiri. Ini digunakan sebagai alat penelitian, untuk produksi isotop radioaktif, dan sebagai sumber daya untuk pembangkit listrik tenaga nuklir.
Reaktor nuklir: cara kerjanya (singkat)
Di sini, proses fisi nuklir digunakan, di mana inti berat pecah menjadi dua bagian yang lebih kecil. Fragmen-fragmen ini berada dalam keadaan sangat tereksitasi dan memancarkan neutron, partikel subatomik lainnya, dan foton. Neutron dapat menyebabkan fisi baru, akibatnya lebih banyak neutron yang dipancarkan, dan seterusnya. Serangkaian pemisahan yang terus menerus seperti itu disebut reaksi berantai. Pada saat yang sama, sejumlah besar energi dilepaskan, yang produksinya bertujuan untuk menggunakan pembangkit listrik tenaga nuklir.
Prinsip pengoperasian reaktor nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir adalah sedemikian rupa sehingga sekitar 85% energi fisi dilepaskan dalam waktu yang sangat singkat setelah dimulainya reaksi. Sisanya diproduksi dihasil peluruhan radioaktif produk fisi setelah mereka memancarkan neutron. Peluruhan radioaktif adalah proses di mana atom mencapai keadaan yang lebih stabil. Itu berlanjut bahkan setelah pembagian selesai.
Dalam bom atom, reaksi berantai meningkat intensitasnya hingga sebagian besar materi terbelah. Ini terjadi sangat cepat, menghasilkan karakteristik ledakan yang sangat kuat dari bom semacam itu. Perangkat dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir didasarkan pada pemeliharaan reaksi berantai pada tingkat yang terkontrol dan hampir konstan. Ini dirancang sedemikian rupa sehingga tidak bisa meledak seperti bom atom.
Reaksi berantai dan kekritisan
Fisika dari reaktor fisi nuklir adalah bahwa reaksi berantai ditentukan oleh kemungkinan fisi nuklir setelah emisi neutron. Jika populasi yang terakhir menurun, maka laju pembelahan pada akhirnya akan turun menjadi nol. Dalam hal ini, reaktor akan berada dalam keadaan subkritis. Jika populasi neutron dipertahankan pada tingkat yang konstan, maka laju fisi akan tetap stabil. Reaktor akan berada dalam kondisi kritis. Dan akhirnya, jika populasi neutron bertambah dari waktu ke waktu, laju fisi dan daya akan meningkat. Inti akan menjadi superkritis.
Prinsip pengoperasian reaktor nuklir adalah sebagai berikut. Sebelum diluncurkan, populasi neutron mendekati nol. Operator kemudian melepaskan batang kendali dari inti, meningkatkan fisi nuklir, yang untuk sementara diterjemahkanreaktor ke keadaan superkritis. Setelah mencapai daya nominal, operator mengembalikan sebagian batang kendali, menyesuaikan jumlah neutron. Di masa depan, reaktor dipertahankan dalam keadaan kritis. Ketika perlu dihentikan, operator memasukkan batang sepenuhnya. Ini menekan fisi dan membawa inti ke keadaan subkritis.
Jenis reaktor
Sebagian besar instalasi nuklir dunia adalah pembangkit energi, menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk memutar turbin yang menggerakkan generator tenaga listrik. Ada juga banyak reaktor riset, dan beberapa negara memiliki kapal selam atau kapal permukaan bertenaga nuklir.
Pembangkit listrik
Ada beberapa jenis reaktor jenis ini, tetapi desain air ringan telah menemukan aplikasi yang luas. Pada gilirannya, dapat menggunakan air bertekanan atau air mendidih. Dalam kasus pertama, cairan di bawah tekanan tinggi dipanaskan oleh panas inti dan memasuki generator uap. Di sana, panas dari sirkuit primer ditransfer ke sekunder, yang juga mengandung air. Uap yang dihasilkan akhirnya berfungsi sebagai fluida kerja dalam siklus turbin uap.
Reaktor tipe didih beroperasi berdasarkan prinsip siklus energi langsung. Air, melewati zona aktif, dididihkan pada tingkat tekanan rata-rata. Uap jenuh melewati serangkaian pemisah dan pengering yang terletak di bejana reaktor, yang membawanya kekeadaan super panas. Uap air superheated tersebut kemudian digunakan sebagai fluida kerja untuk memutar turbin.
Gas Bersuhu Tinggi Berpendingin
Reaktor Berpendingin Gas Suhu Tinggi (HTGR) adalah reaktor nuklir yang prinsip operasinya didasarkan pada penggunaan campuran grafit dan mikrosfer bahan bakar sebagai bahan bakar. Ada dua desain yang bersaing:
- Sistem "pengisi" Jerman yang menggunakan sel bahan bakar bulat berdiameter 60 mm, yang merupakan campuran grafit dan bahan bakar dalam cangkang grafit;
- Versi Amerika dalam bentuk prisma heksagonal grafit yang saling mengunci membentuk zona aktif.
Dalam kedua kasus, pendingin terdiri dari helium pada tekanan sekitar 100 atmosfer. Dalam sistem Jerman, helium melewati celah di lapisan elemen bahan bakar bulat, dan dalam sistem Amerika, melalui lubang di prisma grafit yang terletak di sepanjang sumbu zona pusat reaktor. Kedua opsi dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, karena grafit memiliki suhu sublimasi yang sangat tinggi, sedangkan helium sepenuhnya inert secara kimiawi. Helium panas dapat diterapkan secara langsung sebagai fluida kerja dalam turbin gas pada suhu tinggi, atau panasnya dapat digunakan untuk menghasilkan uap siklus air.
Reaktor nuklir logam cair: skema dan prinsip operasi
Reaktor neutron cepat dengan pendingin natrium mendapat banyak perhatian pada 1960-an dan 1970-an. Kemudiantampaknya kemampuan mereka untuk mereproduksi bahan bakar nuklir dalam waktu dekat diperlukan untuk produksi bahan bakar untuk industri nuklir yang berkembang pesat. Ketika menjadi jelas pada 1980-an bahwa harapan ini tidak realistis, antusiasme itu memudar. Namun, sejumlah reaktor jenis ini telah dibangun di AS, Rusia, Prancis, Inggris, Jepang, dan Jerman. Kebanyakan dari mereka berjalan dengan uranium dioksida atau campurannya dengan plutonium dioksida. Namun, di Amerika Serikat, keberhasilan terbesar adalah dengan bahan bakar logam.
CANDU
Canada telah memfokuskan upayanya pada reaktor yang menggunakan uranium alam. Ini menghilangkan kebutuhan pengayaannya untuk menggunakan layanan negara lain. Hasil dari kebijakan ini adalah reaktor deuterium-uranium (CANDU). Kontrol dan pendinginan di dalamnya dilakukan oleh air berat. Perangkat dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir adalah menggunakan tangki dengan D2O dingin pada tekanan atmosfer. Inti ditusuk oleh pipa yang terbuat dari paduan zirkonium dengan bahan bakar uranium alami, di mana air berat mendinginkannya. Listrik dihasilkan dengan mentransfer panas fisi dalam air berat ke pendingin yang disirkulasikan melalui generator uap. Uap di sirkuit sekunder kemudian melewati siklus turbin normal.
Instalasi penelitian
Untuk penelitian ilmiah, reaktor nuklir paling sering digunakan, yang prinsipnya menggunakan pendingin air danelemen bahan bakar uranium lamellar dalam bentuk rakitan. Mampu beroperasi pada berbagai tingkat daya, dari beberapa kilowatt hingga ratusan megawatt. Karena pembangkit listrik bukanlah tugas utama reaktor riset, reaktor tersebut dicirikan oleh energi panas yang dihasilkan, densitas, dan energi nominal neutron di dalam teras. Parameter inilah yang membantu mengukur kemampuan reaktor riset untuk melakukan survei tertentu. Sistem daya rendah biasanya digunakan di universitas untuk tujuan pengajaran, sedangkan sistem daya tinggi diperlukan di laboratorium R&D untuk pengujian material dan kinerja serta penelitian umum.
Reaktor nuklir penelitian yang paling umum, struktur dan prinsip operasinya adalah sebagai berikut. Zona aktifnya terletak di dasar kolam air besar yang dalam. Ini menyederhanakan pengamatan dan penempatan saluran melalui mana berkas neutron dapat diarahkan. Pada tingkat daya yang rendah, tidak perlu mengeluarkan cairan pendingin, karena konveksi alami cairan pendingin memberikan pembuangan panas yang cukup untuk mempertahankan kondisi pengoperasian yang aman. Penukar panas biasanya terletak di permukaan atau di atas kolam tempat air panas terakumulasi.
Pemasangan kapal
Penggunaan utama dan asli dari reaktor nuklir adalah di kapal selam. Keuntungan utama mereka adalahbahwa, tidak seperti sistem pembakaran bahan bakar fosil, mereka tidak memerlukan udara untuk menghasilkan listrik. Oleh karena itu, kapal selam nuklir dapat tetap terendam untuk waktu yang lama, sementara kapal selam diesel-listrik konvensional harus secara berkala naik ke permukaan untuk menghidupkan mesinnya di udara. Tenaga nuklir memberikan keuntungan strategis bagi kapal-kapal Angkatan Laut. Ini menghilangkan kebutuhan untuk mengisi bahan bakar di pelabuhan asing atau dari kapal tanker yang rentan.
Prinsip pengoperasian reaktor nuklir di kapal selam diklasifikasikan. Namun, diketahui bahwa di AS ia menggunakan uranium yang sangat diperkaya, dan perlambatan dan pendinginan dilakukan dengan air ringan. Desain reaktor pertama kapal selam nuklir USS Nautilus sangat dipengaruhi oleh fasilitas penelitian yang kuat. Fitur uniknya adalah margin reaktivitas yang sangat besar, yang memastikan operasi jangka panjang tanpa pengisian bahan bakar dan kemampuan untuk memulai kembali setelah berhenti. Pembangkit listrik di kapal selam harus sangat sunyi untuk menghindari deteksi. Untuk memenuhi kebutuhan spesifik dari kelas kapal selam yang berbeda, model pembangkit listrik yang berbeda telah dibuat.
Kapal induk Angkatan Laut AS menggunakan reaktor nuklir, prinsip yang diyakini dipinjam dari kapal selam terbesar. Detail desain mereka juga belum dirilis.
Selain AS, Inggris, Prancis, Rusia, Cina, dan India memiliki kapal selam nuklir. Dalam setiap kasus, desainnya tidak diungkapkan, tetapi diyakini bahwa semuanya sangat mirip - inimerupakan konsekuensi dari persyaratan yang sama untuk karakteristik teknisnya. Rusia juga memiliki armada kecil pemecah es bertenaga nuklir yang memiliki reaktor yang sama dengan kapal selam Soviet.
Instalasi industri
Untuk produksi plutonium-239 tingkat senjata, reaktor nuklir digunakan, yang prinsipnya adalah produktivitas tinggi dengan tingkat produksi energi yang rendah. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa plutonium yang lama berada di inti menyebabkan akumulasi 240Pu.
yang tidak diinginkan.
Produksi tritium
Saat ini, bahan utama yang dihasilkan oleh sistem tersebut adalah tritium (3H atau T), muatan untuk bom hidrogen. Plutonium-239 memiliki waktu paruh yang panjang yaitu 24.100 tahun, sehingga negara-negara dengan persenjataan nuklir yang menggunakan elemen ini cenderung memiliki lebih banyak dari yang mereka butuhkan. Tidak seperti 239Pu, tritium memiliki waktu paruh sekitar 12 tahun. Jadi, untuk menjaga pasokan yang diperlukan, isotop hidrogen radioaktif ini harus diproduksi terus menerus. Di AS, Sungai Savannah, Carolina Selatan, misalnya, memiliki beberapa reaktor air berat yang menghasilkan tritium.
Unit daya mengambang
Reaktor nuklir telah dibuat yang dapat menyediakan listrik dan pemanas uap ke daerah terpencil yang terpencil. Di Rusia, misalnya, telah ditemukan aplikasipembangkit listrik kecil yang dirancang khusus untuk melayani komunitas Arktik. Di Cina, pembangkit 10 MW HTR-10 memasok panas dan listrik ke lembaga penelitian di mana ia berada. Reaktor terkontrol kecil dengan kemampuan serupa sedang dikembangkan di Swedia dan Kanada. Antara tahun 1960 dan 1972, Angkatan Darat AS menggunakan reaktor air kompak untuk menggerakkan pangkalan-pangkalan terpencil di Greenland dan Antartika. Mereka telah digantikan oleh pembangkit listrik berbahan bakar minyak.
Penjelajahan luar angkasa
Selain itu, reaktor telah dikembangkan untuk suplai daya dan pergerakan di luar angkasa. Antara 1967 dan 1988, Uni Soviet memasang instalasi nuklir kecil di satelit Kosmos untuk peralatan listrik dan telemetri, tetapi kebijakan ini menjadi sasaran kritik. Setidaknya satu dari satelit ini memasuki atmosfer bumi, mengakibatkan kontaminasi radioaktif di daerah terpencil Kanada. Amerika Serikat hanya meluncurkan satu satelit bertenaga nuklir pada tahun 1965. Namun, proyek untuk penggunaannya dalam penerbangan luar angkasa, eksplorasi berawak di planet lain, atau di pangkalan bulan permanen terus dikembangkan. Ini tentu akan menjadi reaktor nuklir berpendingin gas atau logam cair, yang prinsip-prinsip fisiknya akan memberikan suhu setinggi mungkin yang diperlukan untuk meminimalkan ukuran radiator. Selain itu, reaktor ruang angkasa harus sekompak mungkin untuk meminimalkan jumlah material yang digunakan untuk:perisai, dan untuk mengurangi berat selama peluncuran dan penerbangan luar angkasa. Cadangan bahan bakar akan memastikan pengoperasian reaktor selama seluruh periode penerbangan luar angkasa.
