Mekanisme reaktor nuklir ☠
Beberapa neutron yang dihasilkan oleh fisi akan bocor keluar dari reaktor sehingga tidak menjadi bagian dari rantai yang bereaksi Kebocoran adalah efek permukaan; besarnya proporsional dengan kuadrat dimensi reaktor pikal (luas permukaan kubus dengan panjang tepi a adalah 6a ^ 2). Namun, produksi neutron terjadi di seluruh volume bahan bakar dan dengan demikian proporsional dengan kubus dimensi khas (volume kubus yang sama adalah a). Kita dapat membuat fraksi neutron yang hilang oleh kebocoran sekecil yang kita inginkan dengan membuat inti reaktor cukup besar, sehingga mengurangi rasio permukaan-ke-volume.
Neutron yang dihasilkan oleh fisi cepat, dengan energi kinetik sekitar 2 MeV. Namun, fisi diinduksi paling efektif oleh neutron termal. Neutron cepat dapat diperlambat dengan mencampurkan bahan bakar uranium dengan zat yang disebut moderator yang memiliki dua sifat: Efektif dalam memperlambat neutron melalui tumbukan elastis, dan tidak menghilangkan neutron dari inti dengan menyerapnya sehingga mereka jangan asri dalam fisi. Sebagian besar reaktor daya di Amerika Utara menggunakan air sebagai nuklei hidrogen modern (proton) di dalam air adalah komponen yang efektif, jika sebuah partikel yang bergerak memiliki kepala pada benturan elastis dengan partikel yang diam, partikel yang bergerak kehilangan semua energi kinetiknya jika keduanya partikel memiliki massa yang sama. Jadi,
Karena neutron cepat (2 MeV) yang dihasilkan oleh fisi diperlambat dalam moderator ke energi termal (sekitar 0,04 eV), mereka harus melewati interval energi kritis (dari 100 ev) di mana mereka sangat rentan terhadap penangkapan non-fisi oleh 2U inti. Pengambilan resonansi seperti itu, yang menghasilkan emisi sinar gamma, menghilangkan neutron dari rantai fisi. Untuk meminimalkan penangkapan non-fisi seperti itu, bahan bakar uranium dan moderator tidak dicampur secara intim tetapi "digumpal bersama," menempati berbagai wilayah volume reaktor dalam reaktor tipikal. Bahan bakar uranium adalah dalam bentuk pelet uranium oksida yang dimasukkan ujungnya untuk berakhir menjadi tabung logam berlubang panjang. Moderator cair mengelilingi bundel batang bahan bakar ini, membentuk inti reaktor. Susunan geometris ini meningkatkan kemungkinan bahwa neutron cepat, diproduksi di batang bahan bakar akan menemukan dirinya di moderator ketika melewati interval energi kritis. Setelah neutron mencapai energi termal, ia masih dapat ditangkap dengan cara yang tidak menghasilkan fisi (disebut penangkapan termal). Namun, jauh lebih banyak kembali ke batang bahan bakar dan menghasilkan kemungkinan bahwa neutron termal akan mengembara peristiwa fisi. Keseimbangan neutron dalam reaktor daya tipikal beroperasi pada daya konstan.
Mari kita telusuri sampel 1000 neutron termal melalui satu siklus lengkap, atau pembangkitan, di teras reaktor. Mereka menghasilkan 1.330 neutron dengan fisi pada bahan bakar 2SU dan 40 neutron dengan fisi cepat pada 3 * U, yang menghasilkan 370 neutron lebih banyak dari pada 1000 aslinya, semuanya cepat. Ketika reaktor beroperasi pada tingkat daya yang stabil, jumlah neutron yang sama persis (370) kemudian hilang oleh kebocoran dari inti dan oleh penangkapan non-fisi, meninggalkan 1000 neutron termal untuk memulai generasi berikutnya. Dalam siklus ini, tentu saja, masing-masing dari 370 neutron yang dihasilkan oleh peristiwa fisi mewakili deposit energi dalam teras reaktor, memanaskan teras. Faktor mutiplikasi k parameter reaktor penting adalah rasio jumlah neutron yang ada pada awal generasi tertentu dengan jumlah yang ada pada awal generasi berikutnya. Faktor multiplikasi adalah 1000/1000, atau tepatnya kesatuan. Untuk k = 1, operasi reaktor dikatakan sangat kritis, yang kami inginkan untuk operasi daya stabil. Reaktor sebenarnya dirancang sedemikian rupa sehingga mereka pada dasarnya superkritis K> 1; faktor multiplikasi kemudian disesuaikan dengan operasi kritis dengan memasukkan batang kendali ke dalam teras reaktor. Batang-batang ini, mengandung bahan seperti kadmium yang mudah menyerap neutron, dapat dimasukkan lebih jauh untuk mengurangi tingkat daya operasi dan ditarik untuk meningkatkan tingkat daya atau untuk mengkompensasi kecenderungan reaktor menjadi suberitis sebagai produk fisi (penyerap neutron) yang terbentuk dalam teras selama operasi lanjutan. Jika Anda mengeluarkan salah satu batang kontrol dengan cepat, seberapa cepat tingkat daya reaktor akan meningkat? Waktu respons ini dikendalikan oleh keadaan yang mempesona bahwa sebagian kecil dari neutron yang dihasilkan oleh fisi tidak segera lepas dari fragmen fisi yang baru terbentuk tetapi dipancarkan dari fragmen-fragmen ini kemudian, karena fragmen-fragmen tersebut membusuk karena emisi beta. Dari 370 neutron "baru" yang diproduksi, misalnya, mungkin 16 tertunda. Dipancarkan dari fragmen setelah peluruhan beta yang waktu paruh berkisar antara 0,2 hingga 55 detik. Neutron yang tertunda ini jumlahnya sedikit, tetapi mereka melayani tujuan penting memperlambat waktu respons reaktor agar sesuai dengan waktu reaksi mekanis praktis untuk menunjukkan garis besar pembangkit tenaga listrik berdasarkan reaktor air bertekanan (PWR). Jenis yang umum digunakan di Amerika Utara. Dalam reaktor semacam itu, air digunakan baik sebagai moderator maupun sebagai media transfer panas. Dalam loop primer, air diedarkan melalui bejana reaktor dan mentransfer energi pada suhu dan tekanan tinggi (mungkin 600 K dan 150 atm) dari teras reaktor panas ke generator uap, yang merupakan bagian dari loop sekunder. Dalam generator uap, penguapan menyediakan uap bertekanan tinggi untuk mengoperasikan turbin yang menggerakkan generator listrik.
Untuk menyelesaikan loop sekunder, uap tekanan rendah dari turbin didinginkan dan dikondensasi menjadi air dan dipaksa kembali ke generator uap dengan pompa. Untuk memberikan gambaran skala, bejana reaktor tipikal untuk pembangkit 1000 MW (listrik) mungkin setinggi 12 m dan berat 4 MN. Air mengalir melalui loop primer dengan laju sekitar I ML / menit. Ciri operasi reaktor yang tidak dapat dihindari adalah akumulasi limbah radioaktif, termasuk produk fisi dan nuklida transuranat berat seperti plutonium dan americium. Salah satu ukuran dari radioaktivitas mereka adalah tingkat di mana mereka melepaskan energi dalam bentuk panas menunjukkan daya termal yang dihasilkan oleh limbah tersebut dari operasi satu tahun dari pembangkit nuklir besar yang khas. Perhatikan bahwa kedua skala adalah logaritmik. Sebagian besar batang bahan bakar "bekas" dari operasi reaktor daya disimpan di lokasi, direndam dalam air: fasilitas penyimpanan permanen yang aman untuk reaktor harus dilengkapi banyak senjata yang berasal dari limbah radioaktif yang terakumulasi selama Perang Dunia II dan pada tahun-tahun berikutnya juga masih ada di penyimpanan di lokasi. Sebagai contoh, perlihatkan pertanian tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit. menunjukkan peternakan tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit. menunjukkan peternakan tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit.
Mari kita telusuri sampel 1000 neutron termal melalui satu siklus lengkap, atau pembangkitan, di teras reaktor. Mereka menghasilkan 1.330 neutron dengan fisi pada bahan bakar 2SU dan 40 neutron dengan fisi cepat pada 3 * U, yang menghasilkan 370 neutron lebih banyak dari pada 1000 aslinya, semuanya cepat. Ketika reaktor beroperasi pada tingkat daya yang stabil, jumlah neutron yang sama persis (370) kemudian hilang oleh kebocoran dari inti dan oleh penangkapan non-fisi, meninggalkan 1000 neutron termal untuk memulai generasi berikutnya. Dalam siklus ini, tentu saja, masing-masing dari 370 neutron yang dihasilkan oleh peristiwa fisi mewakili deposit energi dalam teras reaktor, memanaskan teras. Faktor mutiplikasi k parameter reaktor penting adalah rasio jumlah neutron yang ada pada awal generasi tertentu dengan jumlah yang ada pada awal generasi berikutnya. Faktor multiplikasi adalah 1000/1000, atau tepatnya kesatuan. Untuk k = 1, operasi reaktor dikatakan sangat kritis, yang kami inginkan untuk operasi daya stabil. Reaktor sebenarnya dirancang sedemikian rupa sehingga mereka pada dasarnya superkritis K> 1; faktor multiplikasi kemudian disesuaikan dengan operasi kritis dengan memasukkan batang kendali ke dalam teras reaktor. Batang-batang ini, mengandung bahan seperti kadmium yang mudah menyerap neutron, dapat dimasukkan lebih jauh untuk mengurangi tingkat daya operasi dan ditarik untuk meningkatkan tingkat daya atau untuk mengkompensasi kecenderungan reaktor menjadi suberitis sebagai produk fisi (penyerap neutron) yang terbentuk dalam teras selama operasi lanjutan. Jika Anda mengeluarkan salah satu batang kontrol dengan cepat, seberapa cepat tingkat daya reaktor akan meningkat? Waktu respons ini dikendalikan oleh keadaan yang mempesona bahwa sebagian kecil dari neutron yang dihasilkan oleh fisi tidak segera lepas dari fragmen fisi yang baru terbentuk tetapi dipancarkan dari fragmen-fragmen ini kemudian, karena fragmen-fragmen tersebut membusuk karena emisi beta. Dari 370 neutron "baru" yang diproduksi, misalnya, mungkin 16 tertunda. Dipancarkan dari fragmen setelah peluruhan beta yang waktu paruh berkisar antara 0,2 hingga 55 detik. Neutron yang tertunda ini jumlahnya sedikit, tetapi mereka melayani tujuan penting memperlambat waktu respons reaktor agar sesuai dengan waktu reaksi mekanis praktis untuk menunjukkan garis besar pembangkit tenaga listrik berdasarkan reaktor air bertekanan (PWR). Jenis yang umum digunakan di Amerika Utara. Dalam reaktor semacam itu, air digunakan baik sebagai moderator maupun sebagai media transfer panas. Dalam loop primer, air diedarkan melalui bejana reaktor dan mentransfer energi pada suhu dan tekanan tinggi (mungkin 600 K dan 150 atm) dari teras reaktor panas ke generator uap, yang merupakan bagian dari loop sekunder. Dalam generator uap, penguapan menyediakan uap bertekanan tinggi untuk mengoperasikan turbin yang menggerakkan generator listrik.
Untuk menyelesaikan loop sekunder, uap tekanan rendah dari turbin didinginkan dan dikondensasi menjadi air dan dipaksa kembali ke generator uap dengan pompa. Untuk memberikan gambaran skala, bejana reaktor tipikal untuk pembangkit 1000 MW (listrik) mungkin setinggi 12 m dan berat 4 MN. Air mengalir melalui loop primer dengan laju sekitar I ML / menit. Ciri operasi reaktor yang tidak dapat dihindari adalah akumulasi limbah radioaktif, termasuk produk fisi dan nuklida transuranat berat seperti plutonium dan americium. Salah satu ukuran dari radioaktivitas mereka adalah tingkat di mana mereka melepaskan energi dalam bentuk panas menunjukkan daya termal yang dihasilkan oleh limbah tersebut dari operasi satu tahun dari pembangkit nuklir besar yang khas. Perhatikan bahwa kedua skala adalah logaritmik. Sebagian besar batang bahan bakar "bekas" dari operasi reaktor daya disimpan di lokasi, direndam dalam air: fasilitas penyimpanan permanen yang aman untuk reaktor harus dilengkapi banyak senjata yang berasal dari limbah radioaktif yang terakumulasi selama Perang Dunia II dan pada tahun-tahun berikutnya juga masih ada di penyimpanan di lokasi. Sebagai contoh, perlihatkan pertanian tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit. menunjukkan peternakan tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit. menunjukkan peternakan tangki penyimpanan bawah tanah yang sedang dibangun di Situs Hanford di Negara Bagian Washington; setiap tangki besar menampung 1 ML limbah cair yang sangat radioaktif. Sekarang ada 152 tangki seperti itu di lokasi, di samping itu, banyak limbah padat, baik limbah radioaktif tingkat rendah dan limbah tingkat tinggi (inti reaktor dari kapal selam nuklir yang dinonaktifkan, misalnya) dikubur dalam parit.
