Συνδέεται σε σειρά σε ένα κύκλωμα του οποίου το ρεύμα πρέπει να περιοριστεί και λειτουργεί ως επαγωγική (αντιδραστική) πρόσθετη αντίσταση που μειώνει το ρεύμα και διατηρεί την τάση στο δίκτυο κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, γεγονός που αυξάνει τη σταθερότητα των γεννητριών και του συστήματος ως σύνολο.
Εφαρμογή
Κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, το ρεύμα στο κύκλωμα αυξάνεται σημαντικά σε σύγκριση με το ρεύμα κανονικής λειτουργίας. Σε δίκτυα υψηλής τάσης, τα ρεύματα βραχυκυκλώματος μπορούν να φτάσουν σε τέτοιες τιμές που δεν είναι δυνατό να επιλεγούν εγκαταστάσεις που θα μπορούσαν να αντέξουν τις ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από τη ροή αυτών των ρευμάτων. Για τον περιορισμό του ρεύματος βραχυκυκλώματος χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος, οι οποίοι κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώματος. Διατηρούν επίσης μια αρκετά υψηλή τάση στις ράβδους ισχύος (λόγω μεγαλύτερης πτώσης στον ίδιο τον αντιδραστήρα), η οποία είναι απαραίτητη για την κανονική λειτουργία άλλων φορτίων.
Συσκευή και αρχή λειτουργίας
Τύποι αντιδραστήρων
Οι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος χωρίζονται σε:
- ανά τοποθεσία εγκατάστασης: εξωτερική και εσωτερική.
- κατά τάση: μεσαία (3 -35 kV) και υψηλή (110 -500 kV);
- με σχεδιασμό: σκυρόδεμα, ξηρό, λάδι και θωρακισμένο.
- κατά διάταξη φάσης: κάθετη, οριζόντια και βαθμιδωτή.
- με σχέδιο περιέλιξης: μονό και διπλό.
- κατά λειτουργικό σκοπό: τροφοδότης, τροφοδότης ομάδας και διατομή.
Αντιδραστήρες σκυροδέματος
Έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες σε εσωτερικές εγκαταστάσεις για τάσεις δικτύου έως 35 kV συμπεριλαμβανομένων. Ο αντιδραστήρας σκυροδέματος αποτελείται από ομόκεντρα διατεταγμένες στροφές μονωμένου κλώνου σύρματος που χυτεύονται σε ακτινικά διατεταγμένες κολώνες από σκυρόδεμα. Κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, οι περιελίξεις και τα εξαρτήματα υφίστανται σημαντικές μηχανικές καταπονήσεις που προκαλούνται από ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις, επομένως χρησιμοποιείται σκυρόδεμα υψηλής αντοχής στην κατασκευή τους. Όλα τα μεταλλικά μέρη του αντιδραστήρα είναι κατασκευασμένα από μη μαγνητικά υλικά. Σε περίπτωση υψηλών ρευμάτων χρησιμοποιείται τεχνητή ψύξη.
Τα πηνία φάσης του αντιδραστήρα είναι διατεταγμένα έτσι ώστε όταν ο αντιδραστήρας συναρμολογείται, τα πεδία των πηνίων βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, κάτι που είναι απαραίτητο για να ξεπεραστούν οι διαμήκεις δυναμικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος. Οι αντιδραστήρες σκυροδέματος μπορούν να κατασκευαστούν είτε με φυσικό αέρα είτε με εξαναγκασμένη ψύξη αέρα (για υψηλή ονομαστική ισχύ), το λεγόμενο. "blow" (το γράμμα "D" προστίθεται στη σήμανση).
Από το 2014, οι αντιδραστήρες σκυροδέματος θεωρούνται απαρχαιωμένοι και αντικαθίστανται από αντιδραστήρες ξηρού.
Αντιδραστήρες πετρελαίου
Χρησιμοποιείται σε δίκτυα με τάσεις άνω των 35 kV. Ο αντιδραστήρας λαδιού αποτελείται από περιελίξεις χάλκινων αγωγών, μονωμένων με χαρτί καλωδίου, οι οποίοι τοποθετούνται σε μονωτικούς κυλίνδρους και γεμίζονται με λάδι ή άλλο ηλεκτρικό διηλεκτρικό. Το υγρό χρησιμεύει και ως μονωτικό και ως ψυκτικό μέσο. Για να μειώσουν τη θέρμανση των τοιχωμάτων της δεξαμενής από το εναλλασσόμενο πεδίο των πηνίων του αντιδραστήρα, χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικές οθόνεςΚαι μαγνητικές παρακάμψεις.
Η ηλεκτρομαγνητική ασπίδα αποτελείται από βραχυκυκλωμένες στροφές χαλκού ή αλουμινίου που βρίσκονται ομόκεντρα σε σχέση με τον αντιδραστήρα που περιελίσσεται γύρω από τα τοιχώματα της δεξαμενής. Η θωράκιση συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι σε αυτές τις στροφές προκαλείται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κατευθυνόμενος μετρητής και αντισταθμίζοντας το κύριο πεδίο.
Μια μαγνητική παρακλάση είναι μια συσκευασία από φύλλο χάλυβα που βρίσκεται μέσα στη δεξαμενή κοντά στα τοιχώματα, η οποία δημιουργεί ένα τεχνητό μαγνητικό κύκλωμα με μαγνητική αντίσταση χαμηλότερη από αυτή των τοιχωμάτων της δεξαμενής, που αναγκάζει την κύρια μαγνητική ροή του αντιδραστήρα να κλείσει κατά μήκος της και όχι μέσα από τα τοιχώματα της δεξαμενής.
Για την αποφυγή εκρήξεων που σχετίζονται με υπερθέρμανση του λαδιού στη δεξαμενή, σύμφωνα με το PUE, όλοι οι αντιδραστήρες με τάσεις 500 kV και άνω πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με προστασία αερίου.
Ξηροί αντιδραστήρες
Οι ξηροί αντιδραστήρες ανήκουν σε μια νέα κατεύθυνση στο σχεδιασμό αντιδραστήρων περιορισμού ρεύματος και χρησιμοποιούνται σε δίκτυα με ονομαστικές τάσεις έως 220 kV. Σε μία από τις επιλογές σχεδιασμού για έναν ξηρό αντιδραστήρα, οι περιελίξεις γίνονται με τη μορφή καλωδίων (συνήθως ορθογώνιας διατομής για μείωση του μεγέθους, αύξηση μηχανικής αντοχής και διάρκεια ζωής) με μόνωση σιλικόνης, τυλιγμένα σε διηλεκτρικό πλαίσιο. Σε άλλο σχέδιο αντιδραστήρα, το σύρμα περιέλιξης είναι μονωμένο με μια μεμβράνη πολυαμιδίου και, στη συνέχεια, με δύο στρώματα νημάτων γυαλιού με μέγεθος και εμποτισμό με βερνίκι σιλικόνης και επακόλουθο ψήσιμο, το οποίο αντιστοιχεί στην κατηγορία αντοχής στη θερμότητα H (θερμοκρασία λειτουργίας έως 180 ° C) ; Το πάτημα και το δέσιμο των περιελίξεων με ταινίες τα καθιστά ανθεκτικά στη μηχανική καταπόνηση κατά το ρεύμα κρούσης.
Αντιδραστήρες τεθωρακισμένων
Παρά την τάση να κατασκευάζονται αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος χωρίς σιδηρομαγνητικό μαγνητικό πυρήνα (λόγω του κινδύνου κορεσμού του μαγνητικού συστήματος σε ρεύμα βραχυκυκλώματος και, κατά συνέπεια, απότομη πτώση των ιδιοτήτων περιορισμού ρεύματος), οι επιχειρήσεις κατασκευάζουν αντιδραστήρες με θωρακισμένοι πυρήνες από ηλεκτρικό χάλυβα. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου αντιδραστήρων περιορισμού ρεύματος είναι το μικρότερο βάρος, το μέγεθος και το κόστος του (λόγω της μείωσης του μεριδίου των μη σιδηρούχων μετάλλων στο σχεδιασμό). Μειονέκτημα: η πιθανότητα απώλειας ιδιοτήτων περιορισμού του ρεύματος σε ρεύματα κρούσης μεγαλύτερα από την ονομαστική τιμή για έναν δεδομένο αντιδραστήρα, που με τη σειρά του απαιτεί προσεκτικό υπολογισμό των ρευμάτων βραχυκυκλώματος. στο δίκτυο και επιλογή ενός θωρακισμένου αντιδραστήρα με τέτοιο τρόπο ώστε σε οποιαδήποτε λειτουργία δικτύου το ρεύμα κλονισμού βραχυκυκλώματος δεν υπερέβαινε την ονομαστική.
Δίδυμοι αντιδραστήρες
Οι δίδυμοι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για τη μείωση της πτώσης τάσης σε κανονική λειτουργία, για τους οποίους κάθε φάση αποτελείται από δύο περιελίξεις με ισχυρή μαγνητική σύζευξη, συνδεδεμένες σε αντίθετες κατευθύνσεις, καθένα από τα οποία συνδέεται με περίπου το ίδιο φορτίο, με αποτέλεσμα η επαγωγή να είναι μειωμένο (ανάλογα με το υπολειπόμενο διαφορικό μαγνητικό πεδίο). Με βραχυκύκλωμα στο κύκλωμα μιας από τις περιελίξεις το πεδίο αυξάνεται απότομα, η αυτεπαγωγή αυξάνεται και εμφανίζεται η διαδικασία περιορισμού του ρεύματος.
Αντιδραστήρες διατομής και τροφοδοσίας
Οι αντιδραστήρες διατομής ενεργοποιούνται μεταξύ των τμημάτων για να περιοριστούν τα ρεύματα και να διατηρηθεί η τάση σε ένα από τα τμήματα κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος. σε άλλη ενότητα. Οι τροφοδότες και οι τροφοδότες ομάδας τροφοδοσίας εγκαθίστανται σε εξερχόμενους τροφοδότες (οι τροφοδότες ομάδας είναι κοινοί σε πολλούς τροφοδότες).
Βιβλιογραφία
- Rodshtein L. A."Ηλεκτρικές συσκευές: Εγχειρίδιο για τεχνικές σχολές" - 3η έκδ., Λένινγκραντ: Energoizdat. Λένινγκρ. Τμήμα, 1981.
- "Εξοπλισμός αντιδραστήρων. Κατάλογος λύσεων στον τομέα της βελτίωσης της ποιότητας ισχύος, της προστασίας των ηλεκτρικών δικτύων και της οργάνωσης των επικοινωνιών HF." Όμιλος εταιρειών SVEL.
Ένας ηλεκτρικός αντιδραστήρας είναι μια ηλεκτρική συσκευή της οποίας το κύριο καθήκον είναι να ελέγχει το μέγεθος των ρευμάτων βραχυκυκλώματος και να διατηρεί την κατάσταση τάσης στους διαύλους των ηλεκτρικών συσκευών διανομής κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Ένας ηλεκτρικός αντιδραστήρας αποτελείται από ένα πηνίο χωρίς χαλύβδινο πυρήνα. Η επαγωγή ενός ηλεκτρικού αντιδραστήρα παραμένει αμετάβλητη και δεν επηρεάζεται από αλλαγές στην ισχύ του ρεύματος ή άλλα φαινόμενα. Οι ηλεκτρικοί αντιδραστήρες είναι είτε γραμμικοί είτε ζυγοί. Το καθήκον των ηλεκτρικών αντιδραστήρων ζυγών είναι να μειώνουν τα ρεύματα βραχυκυκλώματος τόσο στο ίδιο το ηλεκτρικό δίκτυο όσο και στην ίδια την εγκατάσταση σε περίπτωση βραχυκυκλώματος σε τμήματα των ζυγών. Βασικά, η μείωση της τάσης υπό συνθήκες βραχυκυκλώματος συμβαίνει στον ίδιο τον αντιδραστήρα. Αυτή η δυνατότητα διατηρεί με ακρίβεια την απαιτούμενη τάση στους διαύλους.
Από το σχεδιασμό, οι ηλεκτρικοί αντιδραστήρες είναι είτε ξηροί είτε βασισμένοι σε λάδι. Τα πρώτα είναι απαραίτητα για εγκατάσταση σε κλειστούς διακόπτες, των οποίων η τάση είναι έως 35 kV. Η διασύνδεση μεταξύ των στροφών των περιελίξεων επιτυγχάνεται με τη χρήση κολώνων από σκυρόδεμα.
Η απομόνωση των φάσεων ενός ηλεκτρικού αντιδραστήρα πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μονωτήρες στήριξης. Για τη μείωση των ηλεκτροδυναμικών δυνάμεων, το πηνίο της κεντρικής φάσης του ηλεκτρικού αντιδραστήρα έχει την αντίθετη φορά της περιέλιξης των στροφών σε σχέση με τα πηνία των εξωτερικών φάσεων.
Απαιτούνται ηλεκτρικοί αντιδραστήρες πετρελαίου για εγκατάσταση σε ανοιχτούς διακόπτες, η τάση των οποίων είναι από 35 kV. Αυτοί οι αντιδραστήρες αποτελούνται από 1-3 πηνία, τα οποία με τη σειρά τους βρίσκονται σε μια σιδερένια δεξαμενή με ειδικό λάδι μετασχηματιστή.
Για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση της δεξαμενής, χρησιμοποιείται αντιστάθμιση μαγνητικής ροής με θωράκιση ή διακλαδίζεται χρησιμοποιώντας πρόσθετο μαγνητικό κύκλωμα, το οποίο γίνεται επίσης σε περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται μαγνητική προστασία.
Η χρήση ηλεκτρικού αντιδραστήρα καθιστά δυνατή τη βελτίωση της αξιοπιστίας διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών και επιτρέπει επίσης τη χρήση εξοπλισμού που έχει σχεδιαστεί για περιορισμένα ρεύματα βραχυκυκλώματος. Οι ηλεκτρικοί αντιδραστήρες έχουν βρει αρκετά ευρεία εφαρμογή στην εκκίνηση σύγχρονων κινητήρων και αντισταθμιστών.
Η εκκίνηση με χρήση ηλεκτρικού αντιδραστήρα είναι φθηνότερη και απλούστερη από την εκκίνηση που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως με χρήση αυτομετασχηματιστών.
Όταν χρησιμοποιείτε ηλεκτρικούς αντιδραστήρες, είναι απαραίτητο να λαμβάνονται υπόψη τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού τους: οι ξηροί ηλεκτρικοί αντιδραστήρες είναι βολικοί, απλοί, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε κλειστούς χώρους, οι αντιδραστήρες πετρελαίου είναι πιο περίπλοκοι και ακριβότεροι, αλλά δεν έχουν περιορισμούς στη θέση τους κατά τη διάρκεια χρήση τους.
Ο αντιδραστήρας περιορισμού ρεύματος είναι ένα πηνίο με σταθερή επαγωγική αντίδραση. Η συσκευή συνδέεται σε σειρά στο κύκλωμα. Κατά κανόνα, τέτοιες συσκευές δεν έχουν σιδηρομαγνητικούς πυρήνες. Μια πτώση τάσης περίπου 3-4% θεωρείται τυπική. Εάν συμβεί βραχυκύκλωμα, η κύρια τάση τροφοδοτείται στον αντιδραστήρα περιορισμού ρεύματος. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο:
Σε = (2,54 Ih/Xp) x100%, όπου Ih είναι το ονομαστικό ρεύμα δικτύου και Xp είναι η αντίδραση.
Κατασκευές από σκυρόδεμα
Η ηλεκτρική συσκευή είναι ένα σχέδιο που έχει σχεδιαστεί για μακροχρόνια λειτουργία σε δίκτυα με τάσεις έως 35 kV. Η περιέλιξη είναι κατασκευασμένη από ελαστικά σύρματα που μειώνουν τα δυναμικά και θερμικά φορτία μέσω πολλών παράλληλων κυκλωμάτων. Επιτρέπουν την ομοιόμορφη κατανομή των ρευμάτων, ενώ εκφορτώνουν τη μηχανική δύναμη σε μια σταθερή βάση από σκυρόδεμα.
Ο τρόπος μεταγωγής των πηνίων φάσης επιλέγεται έτσι ώστε η κατεύθυνση των μαγνητικών πεδίων να είναι αντίθετη. Αυτό βοηθά επίσης στην αποδυνάμωση των δυναμικών δυνάμεων κατά τη διάρκεια ρευμάτων κρούσης βραχυκυκλώματος. Η ανοιχτή τοποθέτηση των περιελίξεων στο χώρο βοηθά στην παροχή εξαιρετικών συνθηκών για φυσική ατμοσφαιρική ψύξη. Εάν τα θερμικά φαινόμενα υπερβαίνουν τις επιτρεπόμενες παραμέτρους ή προκύψει βραχυκύκλωμα, χρησιμοποιείται εξαναγκασμένη ροή αέρα με χρήση ανεμιστήρων.
Αντιδραστήρες περιορισμού ξηρού ρεύματος
Αυτές οι συσκευές προέκυψαν ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης καινοτόμων μονωτικών υλικών που βασίζονται σε μια δομική βάση από πυρίτιο και οργανικά. Οι μονάδες λειτουργούν με επιτυχία σε εξοπλισμό έως 220 kV. Η περιέλιξη στο πηνίο τυλίγεται με ένα καλώδιο πολλαπλών πυρήνων με ορθογώνια διατομή. Έχει αυξημένη αντοχή και επικαλύπτεται με ειδική στρώση βαφής σιλικόνης και επίστρωση βερνικιού. Ένα επιπλέον λειτουργικό πλεονέκτημα είναι η παρουσία μόνωσης σιλικόνης που περιέχει πυρίτιο.
Σε σύγκριση με τα ανάλογα σκυροδέματος, ένας αντιδραστήρας ξηρού τύπου περιορισμού ρεύματος έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα, και συγκεκριμένα:
- Λιγότερο βάρος και συνολικές διαστάσεις.
- Αυξημένη μηχανική αντοχή.
- Αυξημένη αντίσταση στη θερμότητα.
- Μεγαλύτερο απόθεμα πόρων εργασίας.
Επιλογές λαδιού
Αυτός ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός είναι εξοπλισμένος με αγωγούς με μονωτικό χαρτί καλωδίων. Τοποθετείται σε ειδικούς κυλίνδρους, οι οποίοι βρίσκονται σε δεξαμενή με λάδι ή παρόμοιο διηλεκτρικό. Το τελευταίο στοιχείο παίζει επίσης το ρόλο ενός τμήματος απαγωγής θερμότητας.
Για να ομαλοποιηθεί η θέρμανση της μεταλλικής θήκης, περιλαμβάνονται στο σχέδιο μαγνητικές παρακλίσεις ή οθόνες σε ηλεκτρομαγνήτες. Σας επιτρέπουν να εξισορροπείτε τα πεδία βιομηχανικής συχνότητας που διέρχονται από τις στροφές της περιέλιξης.
Οι μαγνητικού τύπου παρακαμπτήρια είναι κατασκευασμένες από χαλύβδινα φύλλα τοποθετημένα στη μέση της δεξαμενής λαδιού, ακριβώς δίπλα στους τοίχους. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα εσωτερικό μαγνητικό κύκλωμα, το οποίο κλείνει τη ροή που δημιουργείται από την περιέλιξη στον εαυτό της.
Οι σήτες ηλεκτρομαγνητικού τύπου δημιουργούνται με τη μορφή βραχυκυκλωμένων στροφών από αλουμίνιο ή χαλκό. Τοποθετούνται κοντά στα τοιχώματα του δοχείου. Επάγουν ένα αντίθετο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο μειώνει την επίδραση της κύριας ροής.
Μοντέλα με πανοπλία
Αυτός ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός δημιουργείται με έναν πυρήνα. Τέτοια σχέδια απαιτούν ακριβή υπολογισμό όλων των παραμέτρων, γεγονός που σχετίζεται με τη δυνατότητα κορεσμού του μαγνητικού σύρματος. Απαιτείται επίσης προσεκτική ανάλυση των συνθηκών λειτουργίας.
Οι θωρακισμένοι πυρήνες από ηλεκτρικό χάλυβα καθιστούν δυνατή τη μείωση των συνολικών διαστάσεων και του βάρους του αντιδραστήρα παράλληλα με τη μείωση του κόστους της συσκευής. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν χρησιμοποιείτε τέτοιες συσκευές, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ένα σημαντικό σημείο: το ρεύμα κρούσης δεν πρέπει να υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή για αυτόν τον τύπο συσκευής.
Αρχή λειτουργίας αντιδραστήρων περιορισμού ρεύματος
Ο σχεδιασμός βασίζεται σε μια περιέλιξη πηνίου με επαγωγική αντίδραση. Συνδέεται με τη διακοπή στο κύριο κύκλωμα τροφοδοσίας. Τα χαρακτηριστικά αυτού του στοιχείου επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε υπό τυπικές συνθήκες λειτουργίας η τάση να μην πέφτει πάνω από το 4% της συνολικής τιμής.
Εάν παρουσιαστεί κατάσταση έκτακτης ανάγκης στο προστατευτικό κύκλωμα, ο αντιδραστήρας περιορισμού ρεύματος, λόγω επαγωγής, σβήνει το κυρίαρχο μέρος του εφαρμοζόμενου φαινομένου υψηλής τάσης, ενώ ταυτόχρονα περιορίζει το ρεύμα κρούσης.
Το διάγραμμα λειτουργίας της συσκευής αποδεικνύει το γεγονός ότι με αύξηση της αυτεπαγωγής του πηνίου, μπορεί να παρατηρηθεί μείωση της πρόσκρουσης του ρεύματος κρούσης.
Ιδιαιτερότητες
Η εν λόγω ηλεκτρική συσκευή είναι εξοπλισμένη με περιελίξεις που έχουν μαγνητικό σύρμα κατασκευασμένο από χαλύβδινες πλάκες, το οποίο χρησιμεύει για την αύξηση των αντιδραστικών ιδιοτήτων. Σε τέτοιες μονάδες, όταν μεγάλα ρεύματα διέρχονται από τις στροφές, παρατηρείται κορεσμός του υλικού του πυρήνα και αυτό οδηγεί σε μείωση των παραμέτρων περιορισμού του ρεύματος. Κατά συνέπεια, τέτοιες συσκευές δεν έχουν βρει ευρεία χρήση.
Κυρίως, οι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος δεν είναι εξοπλισμένοι με πυρήνες χάλυβα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επίτευξη των απαιτούμενων χαρακτηριστικών αυτεπαγωγής συνοδεύεται από σημαντική αύξηση της μάζας και των διαστάσεων της συσκευής.
Ρεύμα κλονισμού βραχυκυκλώματος: τι είναι;
Γιατί χρειάζεστε έναν αντιδραστήρα περιορισμού ρεύματος 10 kV ή περισσότερο; Το γεγονός είναι ότι στην ονομαστική λειτουργία, η ενέργεια τροφοδοσίας υψηλής τάσης δαπανάται για να ξεπεραστεί η μέγιστη αντίσταση του ενεργού ηλεκτρικού κυκλώματος. Αυτό, με τη σειρά του, αποτελείται από ενεργά και αντιδραστικά φορτία, τα οποία έχουν χωρητικούς και επαγωγικούς συνδέσμους. Το αποτέλεσμα είναι ένα ρεύμα λειτουργίας που βελτιστοποιείται χρησιμοποιώντας την αντίσταση του κυκλώματος, την ισχύ και την τάση.
Κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, η πηγή διακόπτεται συνδέοντας τυχαία το μέγιστο φορτίο σε συνδυασμό με την ελάχιστη ενεργή αντίσταση, η οποία είναι τυπική για τα μέταλλα. Σε αυτή την περίπτωση, παρατηρείται η απουσία του αντιδραστικού συστατικού της φάσης. Ένα βραχυκύκλωμα εξαλείφει την ισορροπία στο κύκλωμα εργασίας, σχηματίζοντας νέους τύπους ρευμάτων. Η μετάβαση από τη μια λειτουργία στην άλλη δεν συμβαίνει αμέσως, αλλά μάλλον για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Κατά τη διάρκεια αυτού του βραχυπρόθεσμου μετασχηματισμού, οι ημιτονοειδείς και ολικές τιμές αλλάζουν. Μετά από ένα βραχυκύκλωμα, οι νέες μορφές ρεύματος μπορούν να αποκτήσουν μια εξαναγκασμένη περιοδική ή ελεύθερη απεριοδική μιγαδική μορφή.
Η πρώτη επιλογή βοηθά στην επανάληψη της διαμόρφωσης της τάσης τροφοδοσίας και το δεύτερο μοντέλο περιλαμβάνει τη μετατροπή του δείκτη σε άλματα με σταδιακή μείωση. Σχηματίζεται μέσω ενός χωρητικού φορτίου ονομαστικής τιμής, που θεωρείται ως κύκλωμα ρελαντί για ένα επόμενο βραχυκύκλωμα.
Πυρηνικός αντιδραστήρας, αρχή λειτουργίας, λειτουργία πυρηνικού αντιδραστήρα.
Καθημερινά χρησιμοποιούμε ηλεκτρική ενέργεια και δεν σκεφτόμαστε πώς παράγεται και πώς έφτασε σε εμάς. Ωστόσο, είναι ένα από τα πιο σημαντικά μέρη του σύγχρονου πολιτισμού. Χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα δεν θα υπήρχε τίποτα - ούτε φως, ούτε θερμότητα, ούτε κίνηση.
Όλοι γνωρίζουν ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των πυρηνικών. Η καρδιά κάθε πυρηνικού σταθμού είναι πυρηνικός αντιδραστήρας. Αυτό θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο.
Πυρηνικός αντιδραστήρας, μια συσκευή στην οποία λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση με την απελευθέρωση θερμότητας. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και για την οδήγηση μεγάλων πλοίων. Για να φανταστούμε την ισχύ και την αποτελεσματικότητα των πυρηνικών αντιδραστήρων, μπορούμε να δώσουμε ένα παράδειγμα. Όπου ένας μέσος πυρηνικός αντιδραστήρας απαιτεί 30 κιλά ουρανίου, ένας μέσος θερμοηλεκτρικός σταθμός θα απαιτεί 60 βαγόνια άνθρακα ή 40 δεξαμενές μαζούτ.
Πρωτότυπο πυρηνικός αντιδραστήραςκατασκευάστηκε τον Δεκέμβριο του 1942 στις ΗΠΑ υπό τη διεύθυνση του Ε. Φέρμη. Ήταν η λεγόμενη «στοίβα του Σικάγο». Chicago Pile (αργότερα η λέξηΤο «σωρό», μαζί με άλλες έννοιες, έχει καταλήξει να σημαίνει πυρηνικός αντιδραστήρας).Πήρε αυτό το όνομα επειδή έμοιαζε με μια μεγάλη στοίβα από μπλοκ γραφίτη τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο.
Ανάμεσα στα μπλοκ τοποθετήθηκαν σφαιρικά «ρευστά εργασίας» από φυσικό ουράνιο και το διοξείδιο του.
Στην ΕΣΣΔ, ο πρώτος αντιδραστήρας κατασκευάστηκε υπό την ηγεσία του ακαδημαϊκού I.V. Ο αντιδραστήρας F-1 λειτούργησε στις 25 Δεκεμβρίου 1946. Ο αντιδραστήρας ήταν σφαιρικού σχήματος και είχε διάμετρο περίπου 7,5 μέτρα. Δεν είχε σύστημα ψύξης, επομένως λειτουργούσε σε πολύ χαμηλά επίπεδα ισχύος.
Η έρευνα συνεχίστηκε και στις 27 Ιουνίου 1954 τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο με ισχύ 5 MW στο Obninsk.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Κατά τη διάσπαση του ουρανίου U 235, απελευθερώνεται θερμότητα, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση δύο ή τριών νετρονίων. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία – 2,5. Αυτά τα νετρόνια συγκρούονται με άλλα άτομα ουρανίου U235. Κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, το ουράνιο U 235 μετατρέπεται σε ένα ασταθές ισότοπο U 236, το οποίο σχεδόν αμέσως διασπάται σε Kr 92 και Ba 141 + αυτά τα ίδια 2-3 νετρόνια. Η αποσύνθεση συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας γάμμα και θερμότητας.
Αυτό ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Τα άτομα διαιρούνται, ο αριθμός των διασπάσεων αυξάνεται εκθετικά, γεγονός που οδηγεί τελικά σε μια αστραπιαία, σύμφωνα με τα πρότυπά μας, απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας - μια ατομική έκρηξη συμβαίνει ως συνέπεια μιας ανεξέλεγκτης αλυσιδωτής αντίδρασης.
Ωστόσο, σε πυρηνικός αντιδραστήραςέχουμε να κάνουμε με ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση.Το πώς αυτό γίνεται δυνατό περιγράφεται παρακάτω.
Η δομή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων: VVER (υδρόψυκτος αντιδραστήρας ισχύος) και RBMK (αντιδραστήρας καναλιού υψηλής ισχύος). Η διαφορά είναι ότι το RBMK είναι ένας αντιδραστήρας βραστό νερό, ενώ ο VVER χρησιμοποιεί νερό υπό πίεση 120 ατμοσφαιρών.
VVER 1000 αντιδραστήρας 1 - σύστημα ελέγχου κίνησης. 2 - κάλυμμα αντιδραστήρα. 3 - σώμα αντιδραστήρα. 4 - μπλοκ προστατευτικών σωλήνων (BZT). 5 - άξονας? 6 - περίβλημα πυρήνα. 7 - συγκροτήματα καυσίμου (FA) και ράβδοι ελέγχου.
Κάθε βιομηχανικός πυρηνικός αντιδραστήρας είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει ψυκτικό. Κατά κανόνα, αυτό είναι συνηθισμένο νερό (περίπου 75% στον κόσμο), υγρός γραφίτης (20%) και βαρύ νερό (5%). Για πειραματικούς σκοπούς, χρησιμοποιήθηκε βηρύλλιο και θεωρήθηκε ότι ήταν υδρογονάνθρακας.
TVEL– (στοιχείο καυσίμου). Πρόκειται για ράβδους σε κέλυφος ζιρκονίου με κράμα νιοβίου, στο εσωτερικό του οποίου βρίσκονται ταμπλέτες διοξειδίου του ουρανίου.
TVEL raktor RBMK. Σχεδιασμός στοιχείου καυσίμου αντιδραστήρα RBMK: 1 - βύσμα; 2 - δισκία διοξειδίου του ουρανίου. 3 - κέλυφος ζιρκονίου. 4 - άνοιξη? 5 - δακτύλιος? 6 - συμβουλή.
Το TVEL περιλαμβάνει επίσης ένα σύστημα ελατηρίου για τη συγκράτηση των pellets καυσίμου στο ίδιο επίπεδο, το οποίο καθιστά δυνατή την ακριβέστερη ρύθμιση του βάθους βύθισης/αφαίρεσης του καυσίμου στον πυρήνα. Συναρμολογούνται σε κασέτες εξαγωνικού σχήματος, καθεμία από τις οποίες περιλαμβάνει αρκετές δεκάδες ράβδους καυσίμου. Το ψυκτικό υγρό ρέει μέσω των καναλιών σε κάθε κασέτα.
Οι ράβδοι καυσίμου στην κασέτα επισημαίνονται με πράσινο χρώμα.
Συγκρότημα κασέτας καυσίμου.
Ο πυρήνας του αντιδραστήρα αποτελείται από εκατοντάδες κασέτες τοποθετημένες κάθετα και ενωμένες μεταξύ τους από ένα μεταλλικό κέλυφος - ένα σώμα, το οποίο παίζει επίσης το ρόλο ενός ανακλαστήρα νετρονίων. Μεταξύ των κασετών, τοποθετούνται σε τακτά χρονικά διαστήματα ράβδοι ελέγχου και προστατευτικές ράβδοι έκτακτης ανάγκης αντιδραστήρα, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση υπερθέρμανσης.
Ας δώσουμε ως παράδειγμα δεδομένα για τον αντιδραστήρα VVER-440:
Οι ελεγκτές μπορούν να κινηθούν πάνω και κάτω, βυθίζοντας ή αντίστροφα, αφήνοντας την ενεργή ζώνη, όπου η αντίδραση είναι πιο έντονη. Αυτό διασφαλίζεται από ισχυρούς ηλεκτρικούς κινητήρες, σε συνδυασμό με ένα σύστημα ελέγχου.
Κάθε αντιδραστήρας έχει ένα καπάκι μέσω του οποίου φορτώνονται και εκφορτώνονται μεταχειρισμένες και νέες κασέτες.
Η θερμομόνωση εγκαθίσταται συνήθως πάνω από το δοχείο του αντιδραστήρα. Το επόμενο εμπόδιο είναι η βιολογική προστασία. Αυτό είναι συνήθως ένα καταφύγιο από οπλισμένο σκυρόδεμα, η είσοδος του οποίου κλείνει με μια κλειδαριά με σφραγισμένες πόρτες. Η βιολογική προστασία έχει σχεδιαστεί για να αποτρέπει την απελευθέρωση ραδιενεργού ατμού και τεμαχίων του αντιδραστήρα στην ατμόσφαιρα εάν συμβεί έκρηξη.
Μια πυρηνική έκρηξη σε σύγχρονους αντιδραστήρες είναι εξαιρετικά απίθανη. Επειδή το καύσιμο είναι αρκετά ελαφρώς εμπλουτισμένο και χωρισμένο σε στοιχεία καυσίμου. Ακόμα κι αν ο πυρήνας λιώσει, το καύσιμο δεν θα μπορεί να αντιδράσει τόσο ενεργά. Το χειρότερο που μπορεί να συμβεί είναι μια θερμική έκρηξη όπως στο Τσερνομπίλ, όταν η πίεση στον αντιδραστήρα έφτασε σε τέτοιες τιμές που το μεταλλικό περίβλημα απλά έσκασε και το κάλυμμα του αντιδραστήρα, βάρους 5.000 τόνων, έκανε ένα ανεστραμμένο άλμα, σπάζοντας την οροφή του το διαμέρισμα του αντιδραστήρα και την απελευθέρωση ατμού έξω. Εάν ο πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλ είχε εξοπλιστεί με κατάλληλη βιολογική προστασία, όπως η σημερινή σαρκοφάγος, τότε η καταστροφή θα κόστιζε πολύ λιγότερο στην ανθρωπότητα.
Λειτουργία πυρηνικού σταθμού.
Με λίγα λόγια, έτσι μοιάζει το raboboa.
Πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. (Με δυνατότητα κλικ)
Αφού εισέλθει στον πυρήνα του αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας αντλίες, το νερό θερμαίνεται από 250 έως 300 βαθμούς και εξέρχεται από την «άλλη πλευρά» του αντιδραστήρα. Αυτό ονομάζεται πρώτο κύκλωμα. Μετά από αυτό αποστέλλεται στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου συναντά το δεύτερο κύκλωμα. Μετά από αυτό, ο ατμός υπό πίεση ρέει στα πτερύγια του στροβίλου. Οι τουρμπίνες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας βασίζονται στην προετοιμασία και τον έλεγχο μιας αυτοσυντηρούμενης πυρηνικής αντίδρασης. Χρησιμοποιείται ως εργαλείο έρευνας, για την παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων και ως πηγή ενέργειας για πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.
αρχή λειτουργίας (συνοπτικά)
Αυτό χρησιμοποιεί μια διαδικασία κατά την οποία ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο μικρότερα θραύσματα. Αυτά τα θραύσματα βρίσκονται σε πολύ διεγερμένη κατάσταση και εκπέμπουν νετρόνια, άλλα υποατομικά σωματίδια και φωτόνια. Τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν νέες σχάσεις, με αποτέλεσμα να εκπέμπονται περισσότερες από αυτές κ.ο.κ. Μια τέτοια συνεχής αυτοσυντηρούμενη σειρά σχισμών ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Έτσι απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας, η παραγωγή της οποίας είναι ο σκοπός της χρήσης πυρηνικών σταθμών.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι τέτοια ώστε περίπου το 85% της ενέργειας σχάσης απελευθερώνεται μέσα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα μετά την έναρξη της αντίδρασης. Το υπόλοιπο παράγεται από τη ραδιενεργή διάσπαση των προϊόντων σχάσης αφού έχουν εκπέμψει νετρόνια. Η ραδιενεργή διάσπαση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένα άτομο φτάνει σε μια πιο σταθερή κατάσταση. Συνεχίζεται μετά την ολοκλήρωση της διαίρεσης.
Σε μια ατομική βόμβα, η αλυσιδωτή αντίδραση αυξάνεται σε ένταση έως ότου το μεγαλύτερο μέρος του υλικού διασπαστεί. Αυτό συμβαίνει πολύ γρήγορα, προκαλώντας τις εξαιρετικά ισχυρές εκρήξεις που χαρακτηρίζουν τέτοιες βόμβες. Ο σχεδιασμός και η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζονται στη διατήρηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σε ελεγχόμενο, σχεδόν σταθερό επίπεδο. Είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μπορεί να εκραγεί σαν ατομική βόμβα.
Αλυσιδωτή αντίδραση και κρισιμότητα
Η φυσική ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης είναι ότι η αλυσιδωτή αντίδραση καθορίζεται από την πιθανότητα διάσπασης του πυρήνα μετά την εκπομπή νετρονίων. Εάν ο πληθυσμός του τελευταίου μειωθεί, τότε ο ρυθμός διαίρεσης θα πέσει τελικά στο μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, ο αντιδραστήρας θα βρίσκεται σε υποκρίσιμη κατάσταση. Εάν ο πληθυσμός νετρονίων διατηρηθεί σε σταθερό επίπεδο, τότε ο ρυθμός σχάσης θα παραμείνει σταθερός. Ο αντιδραστήρας θα είναι σε κρίσιμη κατάσταση. Τέλος, εάν ο πληθυσμός των νετρονίων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, ο ρυθμός σχάσης και η ισχύς θα αυξηθούν. Η κατάσταση του πυρήνα θα γίνει υπερκρίσιμη.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι η εξής. Πριν από την εκτόξευσή του, ο πληθυσμός νετρονίων είναι κοντά στο μηδέν. Στη συνέχεια, οι χειριστές αφαιρούν τις ράβδους ελέγχου από τον πυρήνα, αυξάνοντας την πυρηνική σχάση, η οποία ωθεί προσωρινά τον αντιδραστήρα σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Αφού φτάσουν την ονομαστική ισχύ, οι χειριστές επιστρέφουν εν μέρει τις ράβδους ελέγχου, προσαρμόζοντας τον αριθμό των νετρονίων. Στη συνέχεια, ο αντιδραστήρας διατηρείται σε κρίσιμη κατάσταση. Όταν χρειάζεται να σταματήσει, οι χειριστές εισάγουν τις ράβδους μέχρι τέρμα. Αυτό καταστέλλει τη σχάση και μεταφέρει τον πυρήνα σε μια υποκρίσιμη κατάσταση.
Τύποι αντιδραστήρων
Οι περισσότεροι από τους πυρηνικούς σταθμούς στον κόσμο είναι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής, οι οποίοι παράγουν τη θερμότητα που απαιτείται για την περιστροφή στροβίλων που κινούν γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν επίσης πολλοί ερευνητικοί αντιδραστήρες και ορισμένες χώρες διαθέτουν υποβρύχια ή πλοία επιφανείας που κινούνται με ατομική ενέργεια.
Σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχουν διάφοροι τύποι αντιδραστήρων αυτού του τύπου, αλλά ο σχεδιασμός του ελαφρού νερού χρησιμοποιείται ευρέως. Με τη σειρά του, μπορεί να χρησιμοποιήσει νερό υπό πίεση ή βραστό νερό. Στην πρώτη περίπτωση, το υγρό υψηλής πίεσης θερμαίνεται από τη θερμότητα του πυρήνα και εισέρχεται στη γεννήτρια ατμού. Εκεί, η θερμότητα από το πρωτεύον κύκλωμα μεταφέρεται στο δευτερεύον κύκλωμα, το οποίο περιέχει και νερό. Ο τελικώς παραγόμενος ατμός χρησιμεύει ως το λειτουργικό ρευστό στον κύκλο του ατμοστροβίλου.
Ο αντιδραστήρας βραστό νερό λειτουργεί με βάση την αρχή του άμεσου ενεργειακού κύκλου. Το νερό που διέρχεται από τον πυρήνα φέρεται σε βρασμό σε μέτρια πίεση. Ο κορεσμένος ατμός διέρχεται μέσω μιας σειράς διαχωριστών και ξηραντηρίων που βρίσκονται στο δοχείο του αντιδραστήρα, γεγονός που προκαλεί την υπερθέρμανση του. Οι υπερθερμασμένοι υδρατμοί χρησιμοποιούνται στη συνέχεια ως το ρευστό εργασίας για την περιστροφή του στροβίλου.
Ψύξη αερίου υψηλής θερμοκρασίας
Ένας αερόψυκτος αντιδραστήρας υψηλής θερμοκρασίας (HTGR) είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται στη χρήση ενός μείγματος μικροσφαιρών γραφίτη και καυσίμου ως καυσίμου. Υπάρχουν δύο ανταγωνιστικά σχέδια:
- ένα γερμανικό σύστημα «γεμίσματος» που χρησιμοποιεί σφαιρικά στοιχεία καυσίμου με διάμετρο 60 mm, τα οποία είναι ένα μείγμα γραφίτη και καυσίμου σε ένα κέλυφος γραφίτη.
- η αμερικανική έκδοση με τη μορφή εξαγωνικών πρισμάτων γραφίτη που αλληλοσυνδέονται για να δημιουργήσουν έναν πυρήνα.
Και στις δύο περιπτώσεις, το ψυκτικό αποτελείται από ήλιο υπό πίεση περίπου 100 ατμοσφαιρών. Στο γερμανικό σύστημα, το ήλιο διέρχεται από κενά στο στρώμα των σφαιρικών στοιχείων καυσίμου και στο αμερικανικό σύστημα, το ήλιο διέρχεται από οπές σε πρίσματα γραφίτη που βρίσκονται κατά μήκος του άξονα της κεντρικής ζώνης του αντιδραστήρα. Και οι δύο επιλογές μπορούν να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, καθώς ο γραφίτης έχει εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία εξάχνωσης και το ήλιο είναι εντελώς χημικά αδρανές. Το ζεστό ήλιο μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας ως λειτουργικό ρευστό σε έναν αεριοστρόβιλο σε υψηλή θερμοκρασία ή η θερμότητά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ατμού του κύκλου του νερού.
Υγρό μέταλλο και αρχή λειτουργίας
Οι γρήγοροι αντιδραστήρες με νάτριο έλαβαν μεγάλη προσοχή στις δεκαετίες του 1960 και του 1970. Φαινόταν τότε ότι οι ικανότητές τους αναπαραγωγής θα χρειάζονταν σύντομα για την παραγωγή καυσίμων για την ταχέως αναπτυσσόμενη πυρηνική βιομηχανία. Όταν έγινε σαφές στη δεκαετία του 1980 ότι αυτή η προσδοκία δεν ήταν ρεαλιστική, ο ενθουσιασμός μειώθηκε. Ωστόσο, αρκετοί αντιδραστήρες αυτού του τύπου έχουν κατασκευαστεί στις ΗΠΑ, τη Ρωσία, τη Γαλλία, τη Μεγάλη Βρετανία, την Ιαπωνία και τη Γερμανία. Τα περισσότερα από αυτά λειτουργούν με διοξείδιο ουρανίου ή το μείγμα του με διοξείδιο του πλουτωνίου. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ωστόσο, η μεγαλύτερη επιτυχία έχει επιτευχθεί με τα μεταλλικά καύσιμα.
CANDU
Ο Καναδάς επικεντρώνει τις προσπάθειές του σε αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη προσφυγής σε υπηρεσίες άλλων χωρών για τον εμπλουτισμό του. Το αποτέλεσμα αυτής της πολιτικής ήταν ο αντιδραστήρας δευτερίου-ουρανίου (CANDU). Ελέγχεται και ψύχεται με βαρύ νερό. Η αρχή σχεδιασμού και λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα συνίσταται στη χρήση μιας δεξαμενής ψυχρού D 2 O σε ατμοσφαιρική πίεση. Ο πυρήνας τρυπιέται από σωλήνες κατασκευασμένους από κράμα ζιρκονίου που περιέχει φυσικό καύσιμο ουρανίου, μέσω των οποίων κυκλοφορεί βαρύ νερό που το ψύχει. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με τη μεταφορά θερμότητας σχάσης σε βαρύ νερό σε ένα ψυκτικό υγρό που κυκλοφορεί μέσω μιας γεννήτριας ατμού. Στη συνέχεια, ο ατμός στο δευτερεύον κύκλωμα διέρχεται από έναν συμβατικό κύκλο στροβίλου.
Ερευνητικές εγκαταστάσεις
Για την επιστημονική έρευνα, χρησιμοποιείται συχνότερα ένας πυρηνικός αντιδραστήρας, η αρχή λειτουργίας του οποίου είναι η χρήση ψύξης νερού και στοιχείων καυσίμου ουρανίου σε σχήμα πλάκας με τη μορφή συγκροτημάτων. Δυνατότητα λειτουργίας σε ένα ευρύ φάσμα επιπέδων ισχύος, από αρκετά κιλοβάτ έως εκατοντάδες μεγαβάτ. Δεδομένου ότι η παραγωγή ενέργειας δεν είναι ο πρωταρχικός σκοπός των ερευνητικών αντιδραστήρων, χαρακτηρίζονται από την παραγόμενη θερμική ενέργεια, την πυκνότητα και την ονομαστική ενέργεια των νετρονίων του πυρήνα. Αυτές οι παράμετροι είναι που βοηθούν στον ποσοτικό προσδιορισμό της ικανότητας ενός ερευνητικού αντιδραστήρα να διεξάγει συγκεκριμένη έρευνα. Τα συστήματα χαμηλής ισχύος βρίσκονται συνήθως στα πανεπιστήμια και χρησιμοποιούνται για διδασκαλία, ενώ τα συστήματα υψηλής ισχύος χρειάζονται σε ερευνητικά εργαστήρια για δοκιμές υλικών και απόδοσης και γενική έρευνα.
Ο πιο συνηθισμένος είναι ένας ερευνητικός πυρηνικός αντιδραστήρας, του οποίου η δομή και η αρχή λειτουργίας έχουν ως εξής. Ο πυρήνας του βρίσκεται στον πυθμένα μιας μεγάλης, βαθιάς λίμνης νερού. Αυτό απλοποιεί την παρατήρηση και την τοποθέτηση καναλιών μέσω των οποίων μπορούν να κατευθυνθούν δέσμες νετρονίων. Σε χαμηλά επίπεδα ισχύος δεν χρειάζεται να αντλείται ψυκτικό καθώς η φυσική μεταφορά του ψυκτικού υγρού παρέχει επαρκή απομάκρυνση θερμότητας για τη διατήρηση ασφαλών συνθηκών λειτουργίας. Ο εναλλάκτης θερμότητας βρίσκεται συνήθως στην επιφάνεια ή στην κορυφή της πισίνας όπου συσσωρεύεται ζεστό νερό.
Εγκαταστάσεις πλοίων
Η αρχική και κύρια εφαρμογή των πυρηνικών αντιδραστήρων είναι η χρήση τους σε υποβρύχια. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι, σε αντίθεση με τα συστήματα καύσης ορυκτών καυσίμων, δεν απαιτούν αέρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επομένως, ένα πυρηνικό υποβρύχιο μπορεί να παραμείνει βυθισμένο για μεγάλα χρονικά διαστήματα, ενώ ένα συμβατικό ντίζελ-ηλεκτρικό υποβρύχιο πρέπει περιοδικά να ανεβαίνει στην επιφάνεια για να πυροδοτήσει τους κινητήρες του στον αέρα. δίνει στρατηγικό πλεονέκτημα στα ναυτικά πλοία. Χάρη σε αυτό, δεν υπάρχει ανάγκη ανεφοδιασμού σε ξένα λιμάνια ή από εύκολα ευάλωτα δεξαμενόπλοια.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα σε ένα υποβρύχιο είναι ταξινομημένη. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι στις ΗΠΑ χρησιμοποιεί πολύ εμπλουτισμένο ουράνιο, και επιβραδύνεται και ψύχεται από ελαφρύ νερό. Ο σχεδιασμός του πρώτου πυρηνικού υποβρυχίου αντιδραστήρα, USS Nautilus, επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από ισχυρές ερευνητικές εγκαταστάσεις. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του είναι ένα πολύ μεγάλο απόθεμα αντιδραστικότητας, που εξασφαλίζει μεγάλη περίοδο λειτουργίας χωρίς ανεφοδιασμό και τη δυνατότητα επανεκκίνησης μετά από μια στάση. Η μονάδα παραγωγής ενέργειας στα υποβρύχια πρέπει να είναι πολύ αθόρυβη για να αποφευχθεί η ανίχνευση. Για την κάλυψη των ειδικών αναγκών διαφορετικών κατηγοριών υποβρυχίων, δημιουργήθηκαν διαφορετικά μοντέλα σταθμών παραγωγής ενέργειας.
Τα αεροπλανοφόρα του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ χρησιμοποιούν πυρηνικό αντιδραστήρα, η αρχή λειτουργίας του οποίου πιστεύεται ότι είναι δανεισμένη από τα μεγαλύτερα υποβρύχια. Λεπτομέρειες του σχεδιασμού τους επίσης δεν έχουν δημοσιευθεί.
Εκτός από τις Ηνωμένες Πολιτείες, πυρηνικά υποβρύχια διαθέτουν η Μεγάλη Βρετανία, η Γαλλία, η Ρωσία, η Κίνα και η Ινδία. Σε κάθε περίπτωση, ο σχεδιασμός δεν αποκαλύφθηκε, αλλά πιστεύεται ότι όλα είναι πολύ παρόμοια - αυτό είναι συνέπεια των ίδιων απαιτήσεων για τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Η Ρωσία έχει επίσης έναν μικρό στόλο που χρησιμοποιεί τους ίδιους αντιδραστήρες με τα σοβιετικά υποβρύχια.
Βιομηχανικές εγκαταστάσεις
Για σκοπούς παραγωγής χρησιμοποιείται ένας πυρηνικός αντιδραστήρας, η αρχή λειτουργίας του οποίου είναι η υψηλή παραγωγικότητα με χαμηλό επίπεδο παραγωγής ενέργειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μια μακρά παραμονή πλουτωνίου στον πυρήνα οδηγεί στη συσσώρευση ανεπιθύμητων 240 Pu.
Παραγωγή τριτίου
Επί του παρόντος, το κύριο υλικό που παράγεται από τέτοια συστήματα είναι το τρίτιο (3Η ή Τ) - η φόρτιση για το Plutonium-239 έχει μακρά ημιζωή 24.100 ετών, επομένως οι χώρες με οπλοστάσια πυρηνικών όπλων που χρησιμοποιούν αυτό το στοιχείο τείνουν να έχουν περισσότερο από αυτό από όσο χρειάζεται. Σε αντίθεση με το 239 Pu, το τρίτιο έχει χρόνο ημιζωής περίπου 12 χρόνια. Έτσι, για να διατηρηθούν τα απαραίτητα εφόδια, αυτό το ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου πρέπει να παράγεται συνεχώς. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο ποταμός Savannah (Νότια Καρολίνα), για παράδειγμα, λειτουργεί αρκετούς αντιδραστήρες βαρέος νερού που παράγουν τρίτιο.
Πλωτές μονάδες ισχύος
Έχουν δημιουργηθεί πυρηνικοί αντιδραστήρες που μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια και θέρμανση με ατμό σε απομακρυσμένες απομονωμένες περιοχές. Στη Ρωσία, για παράδειγμα, έχουν βρει χρήση μικροί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να εξυπηρετούν οικισμούς της Αρκτικής. Στην Κίνα, το 10 MW HTR-10 παρέχει θερμότητα και ενέργεια στο ερευνητικό ινστιτούτο όπου βρίσκεται. Η ανάπτυξη μικρών αυτόματα ελεγχόμενων αντιδραστήρων με παρόμοιες δυνατότητες βρίσκεται σε εξέλιξη στη Σουηδία και τον Καναδά. Μεταξύ 1960 και 1972, ο στρατός των ΗΠΑ χρησιμοποίησε συμπαγείς αντιδραστήρες νερού για να τροφοδοτήσει απομακρυσμένες βάσεις στη Γροιλανδία και την Ανταρκτική. Αντικαταστάθηκαν από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση πετρελαίου.
Κατάκτηση του διαστήματος
Επιπλέον, αναπτύχθηκαν αντιδραστήρες για τροφοδοσία και κίνηση στο διάστημα. Μεταξύ 1967 και 1988, η Σοβιετική Ένωση εγκατέστησε μικρές πυρηνικές μονάδες στους δορυφόρους της σειράς Cosmos για την τροφοδοσία εξοπλισμού και τηλεμετρίας, αλλά η πολιτική έγινε στόχος κριτικής. Τουλάχιστον ένας από αυτούς τους δορυφόρους εισήλθε στην ατμόσφαιρα της Γης, προκαλώντας ραδιενεργή μόλυνση σε απομακρυσμένες περιοχές του Καναδά. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν εκτοξεύσει μόνο έναν πυρηνικό δορυφόρο, το 1965. Ωστόσο, συνεχίζουν να αναπτύσσονται έργα για τη χρήση τους σε διαστημικές πτήσεις μεγάλων αποστάσεων, επανδρωμένη εξερεύνηση άλλων πλανητών ή σε μόνιμη σεληνιακή βάση. Αυτός θα είναι αναγκαστικά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας αερίου ή υγρού μετάλλου, οι φυσικές αρχές του οποίου θα παρέχουν την υψηλότερη δυνατή θερμοκρασία που απαιτείται για την ελαχιστοποίηση του μεγέθους του ψυγείου. Επιπλέον, ένας αντιδραστήρας για διαστημική τεχνολογία πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο συμπαγής ώστε να ελαχιστοποιείται η ποσότητα του υλικού που χρησιμοποιείται για θωράκιση και να μειώνεται το βάρος κατά την εκτόξευση και τη διαστημική πτήση. Η παροχή καυσίμου θα εξασφαλίσει τη λειτουργία του αντιδραστήρα για όλη την περίοδο της διαστημικής πτήσης.