Bir nükleer reaktör içeren cihazların bir dizi nükleer yakıt , bir işlemde, reaktörden, bir "kalp" teşkil zincir reaksiyonu , başlatılabilir yönetilir için protokolleri ve cihazları spesifik yoluyla ve / veya otomatik sistemler insan maddeler tarafından kontrol nükleer fisyon . Bu şekilde üretilen ısı daha sonra tahliye edilir ve muhtemelen elektrik enerjisine dönüştürülür .
Merkezinde yer alan bir bir çarpışma etkisi altında nötron , atom çekirdeği , bazı büyük bir atomu , adı verilen fissiles , her yeteneğine sahip, ısı büyük miktarda serbest ve iki ya da üç nötron üretir iki (fisyon) 'de zarar verebilir başka bir atomla çarpışma üzerine yeni bir fisyon üretmek (potansiyel olarak bir zincir reaksiyonu yaratmak ). Reaktörlerin çekirdeğini oluşturan bölünebilir malzeme zenginleştirilmiş uranyum veya plütonyumdur , nükleer yakıt düzeneklerinde gruplandırılmış çubuklarda kapsüllenir veya çubuklarda (örneğin RBMK reaktörlerinde ) veya kümelerde (örneğin CANDU reaktörlerinde ) birleştirilmiş doğal uranyumdur .
Bu reaktörler endüstriyel, sivil veya askeridir ve hatta araştırma amaçlıdır. Buna ek olarak, jeokimyasal kanıtlar doğal reaktöre (bugüne kadar bilinen tek), yaklaşık iki milyar yıl önce, varlığını tanıklık: Oklo doğal nükleer reaktör , içinde Gabon ; doğal bir radyoaktif metal konsantrasyonu, burada kritikliğe ulaşmayı ve bir zincirleme reaksiyon oluşturmayı mümkün kılmıştır .
Nükleer reaktörlerin uygulamaları temel olarak şunları içerir:
ısı bu tür elde etmek için buhar üretimi gibi bir kullanım temin edecek mekanik iş , elektrik üretimi , üretim tatlı su ile tuz giderme , vs. ; plütonyum üretimi esas olarak askeri kullanım için ( atom bombası ) veya sivil kullanım için ( MOX yakıtı , şu anda bu tür yakıtın üretiminde yalnızca yeniden işlenen plütonyum kullanılmaktadır); üretimi serbest nötronların veya radyoaktif izotoplar araştırma için ve nükleer tıpta kullanılır ( araştırma reaktörleri ).Ana uygulamalar elektrik üretimi ve ikincil olarak gemilerin, askeri ( nükleer denizaltılar , uçak gemileri, vb.) veya sivillerin ( özellikle buzkıranlar ) donanma nükleer tahrikidir .
Modern bir nükleer reaktör, yaklaşık %75'lik bir yük faktörü ile 500 ila 1.650 MW mertebesinde bir güce sahiptir . In 1990 , bir reaktör 900 ortalama kapasiteye sahip MW , 1000 yükseldi bir rakam MW 880 gitti 2015 Fransız nükleer santrallerde MW için Fessenheim 1495 için MW için Civaux ilk başlayana dek, EPR (1650 MW ) .
İlk nükleer reaktör inşa edildi ABD'de de 1942 Üniversitesi'nde, Chicago tarafından, Enrico Fermi ve Leo Szilard . 6 ton metalik uranyum , 34 ton uranyum oksit ve 400 ton grafit yığınından oluşur , bu yüzden atom yığını olarak adlandırılır . Gücü sadece 0,5 W , ancak farklılığı teoriyi fisyon mekanizmaları üzerine pekiştirmeyi mümkün kıldı; Bu reaktör aynı zamanda Manhattan Projesi kapsamında geliştirilen atom bombası için gerekli olan plütonyum üretimi için reaktörlerin inşası için bir pilot tesis olarak hizmet etti . 1950'lerden bu yana, dünya çapında birçok nükleer reaktör, elektrik üretmek için nükleer fisyon ilkesiyle çalışıyor . Son 50 yılda sivil reaktörlerin çeşitli teknolojileri ve sektörleri geliştirilmiştir.
Aynı zamanda araştırmalar nükleer füzyon prensibiyle çalışacak reaktörlere odaklanıyor . Dünyada iki ana araştırma hattı vardır:
Sovyet tarafında , ilk RBMK reaktörleri askeri plütonyum üretmek için inşa edildi. Devreye alınması Obninsk reaktörde içinde 1954 5 bir güçle elektrik sağlayan MW . Jeneratör optiği ile tasarlanan ilk nükleer santral olduğu için dünyadaki ilk nükleer güç reaktörü olarak kabul edilebilir. Çalışması 48 yıl sürecek.
İlk Fransız test reaktörü Lew Kowarski , Frédéric Joliot-Curie ve Jules Horowitz tarafından Atom Enerjisi Komisyonu'nun (CEA) Fontenay-aux-Roses ( Hauts-de-Seine ) çalışma merkezinde inşa edildi . Adlandırılan bu atom yığını, Zoe yığın , ilk başlatılan zincirleme reaksiyonu işlemi olarak 1948 . Bu reaktörün amacı , atom bombası için plütonyum üreterek Fransa'yı nükleer güçler kadrosuna sokmaktı .
In 1956 , G1 reaktör CEA de devreye alınmıştır Marcoule araştırma merkezi : ilk Fransız reaktör sadece üretmek oldu plütonyum değil, aynı zamanda elektrik . Daha sonra Fransız doğal uranyum grafit gazı (UNGG) sektörünü başlattı. Bunun yerini hızla , Framatome tarafından 58 reaktör inşa etmek için kullanılan Amerikan basınçlı su reaktörleri (PWR) teknolojisi alacak (birincisi 1968'de ve sonuncusu 1994'te kapatılan dokuz UNGG reaktörüne karşı).
Bir nükleer reaktör her zaman nükleer fisyon reaksiyonunun gerçekleştiği en az bir çekirdek, reflektörler ve reaksiyon kontrol araçları, bir metal kap ve son olarak bir muhafaza mahfazasından oluşur .
Uranyum veya plütonyum gibi çok ağır atom çekirdekleri çok sayıda proton içerir ve kararsızdır. Bu çok ağır atomlardan biri (örneğin uranyum 235 veya plütonyum 239 ) bir nötron yakalarsa , daha da kararsız bir çekirdeğe ( 236 U veya 240 Pu) dönüşür ve aynı zamanda bir miktar "enerji" geri kazanır.
Ortaya çıkan çekirdek çok hızlı bölünür: bölünür, iki ana çekirdeğe bölünür ve iki veya üç ek serbest nötron serbest bırakır. Bu ek nötronlar, diğer çekirdek fisyonları için mevcuttur: zincirleme reaksiyonun prensibi budur .
Bağlanma enerjisindeki fark, kısmen fisyon ürünlerinin kinetik enerjisine dönüştürülür. Bunlar çevredeki malzemeye çarparak bu enerjiyi ısı şeklinde verirler . Bu ısı bir soğutucu yardımıyla uzaklaştırılır ve örneğin ısıtma veya elektrik üretimi için kullanılabilir.
Bölünme sonucu oluşan yeni çekirdeklere fisyon ürünleri denir . Genellikle fazla nötronları vardır ve β - radyoaktivite ile radyoaktif olma eğilimindedirler . Bu β - radyoaktivite ifade edildiğinde, genellikle eski ağır atomlardan daha yüksek bir nükleon başına bağlanma enerjisine sahiptirler ve bu nedenle daha kararlıdırlar.
Bir nötron ne kadar yavaşsa, 235 U atomu tarafından yakalanma olasılığı o kadar yüksek olur . Bu nedenle fisyon reaksiyonundan gelen hızlı nötronlar bir moderatör tarafından yavaşlatılır . Bir moderatör, neredeyse bir nötron kadar hafif, çok hafif atom çekirdeği içeren bir malzemedir. Nötronlar daha sonra bu hafif atom çekirdekleri üzerindeki şoklarla bu moderatör çekirdeklerin hızına kadar yavaşlatılır. Brownian hareket teorisine göre , moderatör çekirdeklerin hızı, sıcaklığı ile tanımlanır. Bu nedenle nötronların yavaşlaması yerine nötronların termalizasyonundan bahsediyoruz . “Moderatör” teriminin ima ettiğinin aksine, reaksiyonu kolaylaştırır ve dolayısıyla hızlandırır.
Nükleer fisyon gerçekleştirmek için termal nötronları kullanan bir reaktöre, fisyon için yavaşlatılmamış nötronları kullanan hızlı bir reaktörün aksine (bu nedenle hızlı nötron reaktörü adı verilir) [termal reaktör] denir .
Bir nükleer reaktörün kontrolü muhafaza dayanır kritik kütle ait nükleer yakıt reaktörün merkezinde. Reaktörün daha iyi verimini sağlamak için, bir moderatör kullanılarak nötronların termalizasyonu gerçekleştirilir . Ve zincirleme reaksiyon tarafından üretilen termal enerjiyi çıkarmak için bir soğutucu kullanılır. Bir PWR reaktörü durumunda, su hem soğutucu hem de moderatör olarak hizmet eder.
Zincirleme reaksiyonun süresiz olarak büyümemesi için pilot olarak uygulanması gerekir. Bunun için nötron emici bir malzeme kullanılır. Örneğin, kadmiyum , gadolinyum ve bor . Bu elementlerin kimyasal bileşimlerinden, örneğin bir nükleer reaktörün kontrol çubukları yapılır. Reaktör, bu çubukların çekirdeğe yerleştirilmesi veya çıkarılmasıyla kontrol edilebilir. Zincir reaksiyonu aşağıdaki prensibe göre muhafaza edilir: bir nötron yansıtıcı ile parçalanabilir malzemeyi çevreleyen, fizyon reaksiyonunu tetiklemek için gerekli miktar azaltır teşvik edilir; diğer yandan, bir nötron soğurucunun varlığı, bunun tam tersi bir etkiye sahiptir.
Kalbin davranışının açıklaması nötroniğe dayanmaktadır . Bir reaktörün en önemli parametresi reaktivitesidir, "yüz binde" (pcm) olarak ifade edilir ve bir reaktörün ksenon zehirlenmesi gerçekleştirmediğini kontrol etmeyi mümkün kılar .
Ksenon ve samaryum, bölünebilir çekirdeklerin bozunmasıyla yayılan iki ana fisyon ürününün radyoaktif bozunmasıyla üretilen elementlerdir: iyot ve prometheum. Nükleer bir reaksiyon olduğu andan itibaren mevcutturlar. Ksenon ve samaryum güçlü nötron emicilerdir. Kalbi zehirledikleri söylenir çünkü varlıkları zincirleme reaksiyonu boğma eğilimindedir. Ek olarak, reaktörün kapatılmasından sonra, çekirdekte bulunan iyot ve prometheum, çekirdekte bulunan ksenon ve samaryum miktarını ve dolayısıyla reaktörün zehirlenmesini artırarak parçalanmaya devam eder.
Reaktöre pilotluk yapmaktan sorumlu olanlar için ana endişelerden biri, özellikle güçteki değişiklikler sırasında bu zehirlerin etkilerini kontrol etmektir. Ksenon ve samaryum tarafından sağlanan anti-reaktivite varyasyonları, eksenel bir dengesizliğe neden oldukları için ilgiyle takip edilir ve bazen nükleer akının azimut dengesizliği gözlemlenebilir.
Yakıt yükünün silindirik olduğunu, kontrol çubuklarının yukarıdan aşağıya dikey olarak hareket ettiğini ve soğutma sıvısının yakıt çubuklarını yükselterek ısındığını düşünürsek şu dengesizlikleri “hayal edebiliriz”:
Her durumda, teknik çalıştırma spesifikasyonları bu işlemleri yasaklar ve dolayısıyla, örneğin gücü azaltmak veya durdurmak gibi bir eylem planı belirler. Olayın dinamikleri önemliyse, korumalar reaktörün otomatik kapanmasını başlatır.
Eksenel dengesizliği düzeltmek için operatörler üç parametreye göre hareket eder:
Nükleer reaksiyon çok ekzotermiktir. Bu nedenle kurulumlar soğutma ve yerel olarak iyi bir ısı yalıtımı gerektirir.
Reaktör kapatılsa bile, fisyon ürünlerinin aktivitesi ısı üretmeye devam eder . Bu artık ısının gücü, nükleer zincirleme reaksiyonun sona erdiği andaki nominal termal gücün yaklaşık %6'sına tekabül eder, daha sonra azalır ve birkaç gün içinde kaybolur.
Acil bir durumda kalan ısıyı tahliye edebilmek için nükleer santrallerde kalıcı bir soğutma sistemi bulunur . Böyle bir sistem işe yaramazsa, sıcaklıktaki artış nükleer reaktör çekirdeğinin erimesine yol açabilir . Ancak, belirli sürüş prosedürleri bu riski mümkün olduğunca azaltmayı amaçlamaktadır.
Nükleer kazalar en çok birim operatörler tarafından Bir simülatörde çalıştı vardır kritiklik kaza ve çekirdek eriyik, hem de toplam soğutma kaybı.
Nükleer fisyon zincir reaksiyonunun elde edilmesini ve kontrol edilmesini mümkün kılan tüm teknik koşullar, “(nükleer) reaktör sektörü” etiketi altında toplanmıştır.
Farklı uygulamalara göre dünyada mevcut olan farklı reaktör türleri (reaktör tipi belirli bir üreticiye bağlıdır), bu nedenle reaktör dalı veya nükleer dalı ile birlikte gruplandırılmıştır . Bir reaktör sistemi şu şekilde karakterize edilir:
Bir reaktör sektörü, çok ciddi sonuçları olan ve uzun vadede çok ilgi çekici olan bir dizi teknolojik seçeneği temsil eder, örneğin:
Nükleer yakıt döngüsü reaktörü sektör (yakıt moderatör, soğutma suyu) ile bağlantılı üç parametre ile tanımlanır.
Dilin kötüye kullanılmasıyla, çevrimin yukarı ve aşağı fazlarını dolaylı olarak dahil ederek, basınçlı su reaktörleri sektörü (reaktörlerle ilgili olarak) ifadesini kullanıyoruz. Vadeli nükleer yakıt çevrimi açıkça tüm aşamalarında ifade eder.
Reaktör sektörleri genellikle, esas olarak reaktör çekirdeğindeki kritiklik koşullarını elde etmek için seçilen rota ile ayırt edilen iki ana gruba ayrılır, bu nedenle:
Böylece bu düzenlemeler, bölünemeyen ağır atomları (esas olarak uranyum 238 ve ayrıca toryum 232) bölünebilir plütonyum 239 ve uranyum 233 atomlarına dönüştürmeyi mümkün kılar.Reaktöre daha sonra bir "yetiştirici" denir: çekirdeğin ömrünün sonunda, mevcut bölünebilir atomların miktarı, reaktör çekirdeğine başlangıçta yerleştirilmiş olandan daha fazladır (toryum elde edilmesi durumunda yetiştiricinin termal nötronlarda hemen hemen mümkün olduğu veya en azından güçlü bir şekilde yavaşlatıldığı ek notu ile).
Yukarıdaki sınıflandırmalar esas olarak büyük güç reaktörleriyle ilgilidir. Bazıları son zamanlarda büyük gelişmeler yaşayan birkaç küçük reaktör kategorisi de vardır:
Bu reaktörler, enerji üretimi için optimize edilmedikleri için tipik değildir.
Işınlama reaktörleri, araştırma ve tıp için kullanılan radyoaktif izotopların oluşturulmasına izin veren serbest nötronların üretimi için kullanılır. Çalışan bir reaktör, termal megawatt başına yılda yaklaşık 2.5 mol nötron üretir , bu da (nötron aktivasyonu ile) aynı büyüklük sırasına sahip bir miktar izotop üretmesine izin verir (ancak gerçek verim, nötron dengesine bağlıdır ve önemli ölçüde daha düşüktür). Bu miktarın %10'u kadar). Bu tür reaktörlerin termal verimliliğini optimize etmek için hiçbir girişimde bulunulmadığı sürece, çalışma sıcaklıkları ve basınçları çok düşük değerlerde (atmosferik basınç ve 100 ° C'den düşük) tutulabilir , bu da çalışmalarını büyük ölçüde basitleştirir.
Araştırma reaktörleri çok çeşitli hedeflere sahip olabilir. Nötron akışı altındaki maddenin davranışını veya endüstriyel reaktörlerde üretilmesinin açıkça tehlikeli olacağı atipik durumlarda (güç geçişleri, kritiklik sapmaları, çekirdek erimesi, vb.) reaktörün davranışını incelemek için tasarlanabilirler.
Küçük modüler reaktörler Mikro reaktörlerMikro reaktörlerin İlk kategori elektrik tedarik etmek için geliştirilmiştir uydular .
Merak gezici 2012 yılından bu yana Mars araştırdı plütonyum dioksit 4.8 kilogram kullanılarak sadece 100 watt bir reaktör ile bir enerji ile beslenir; NASA daha önce bu enerji kaynağını Apollo ay misyonları , Mars Viking misyonları ve Pioneer , Voyager , Ulysses , Galileo , Cassini ve New Horizons misyonları için kullanmıştı . Mars 2020 gezgini (uzay probu) ayrıca bir radyoizotop termoelektrik jeneratörü ile donatılacak. NASA, “gelecekteki uzay görevlerinde devrim yaratabilecek” yenilikleri destekleyen “Oyunu Değiştiren Geliştirme Programı” kapsamında, ısıyı elektriğe dönüştüren ve uranyum 235 yüklü bir reaktör olan “Stirling Teknolojisini Kullanan Kilogüç Reaktörü” (KRUSTY) geliştiriyor. Stirling motorları anlamına gelir. Dünya dışı kolonilerin kurulması için tasarlanan bu reaktör, evleri ısıtabilir, gezicileri şarj edebilir ve kaynakları, örneğin buzu oksijene ve suya dönüştürebilir.
Gücü 10 MWe'nin altında olan mikro reaktörler Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı'nın (DoD) ilgisini çekiyor . 2019'da Kongre tarafından kabul edilen Ulusal Savunma Yetkilendirme Yasası , 2027 yılına kadar ilk mikro reaktörü inşa etmek ve işletmeye almak için Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı (DoE) ve DoD arasında işbirliğini gerektiriyordu . Nükleer Enerji Enstitüsü (NEI), Savunma Bakanlığı tesislerinin %90'ının 40 MWe ve altındaki santrallerle ihtiyaçlarını karşılayabilir . Çeşitli endüstriyel ürünler geliştirilmektedir: Nuscale, General Atomics, Oklo ve Westinghouse. Yayınlanan bir NEI raporuna göreekim 2018, ilk mikro reaktörlerin askeri üsleri donatabilmesi için 10 yıldan daha az zaman alacaktır, daha sonra diğer müşterilere (maden sahaları vb. )
Yukarıda bahsedilen teknik ve teknolojik gruplamaya ek olarak, 2000'lerin başında nükleer reaktörleri farklı teknolojik sektörlere karşılık gelen nesillere ayıran başka bir sınıflandırma ortaya çıktı .
İçinde ocak 2016, 441 güç reaktörü dünya çapında çalışır durumda ve 67'si yapım aşamasındadır.
Avrupa Birliği (27 üye) üye ülkelerin 13 arasında 2019 yayılmasında 106 nükleer reaktör bulunuyor. Bölgenin elektrik enerjisinin %26'sı nükleer reaktörler tarafından üretiliyor; Bu payın %52'si Fransa'da, %9,8'i Almanya'da, %8,6'sı İsveç'te, %7,6'sı İspanya'da üretilmektedir.