บทความหลัก: กายภาพของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ภาพแสดงเหตุการณ์ที่นิวเคลียร์ฟิชชั่นเกิดขึ้น โดย นิวตรอน จะถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 ส่งผลให้มันแยกออกเป็นองค์ประกอบเคลื่อนที่เร็วที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน (อังกฤษ: Fission product)) พร้อมกับนิวตรอนอิสระ แม้ว่าทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์จะพึ่งพาห่วงโซ่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็ตาม แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์จะเกิดขึ้นช้ากว่าในระเบิดมาก

เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อน ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น

ฟิชชัน

บทความหลัก: นิวเคลียร์ฟิชชัน

เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น[2] เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear chain reaction)

เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน (อังกฤษ: neutron poison หรือ neutron absorber)[3] และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator) สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง[4] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลง หากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย[5]

ตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันโดยทั่วไปประกอบด้วยน้ำธรรมดา (น้ำเบา) (เป็น 74.8% ของเครื่องปฏิกรณ์ของโลก), แท่งแกรไฟท์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water) (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) บางชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการทดลองจะใช้เบริลเลียม แต่ไฮโดรคาร์บอนก็ได้รับการแนะนำว่าเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง[4]

การสร้างความร้อน

แกนเครื่องปฏิกรณ์สร้างความร้อนได้หลายวิธี:

• พลังงานจลน์ของผลผลิตจากฟิชชันจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน เมื่อนิวเคลียสเหล่านี้ชนกับอะตอมในบริเวณใกล้เคียง
• เครื่องปฏิกรณ์ดูดซ​​ับบางส่วนของรังสีแกมมาที่ผลิตขึ้นระหว่างฟิชชั่นและแปลงพลังงานของพวกมันเป็นความร้อน
• ความร้อนจะถูกผลิตโดย การสลายกัมมันตรังสี ของผลผลิตจากฟิชชันและโดยวัสดุที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานโดยการดูดซึมนิวตรอน. การสลายตัวของแหล่งความร้อนนี้จะยังคงดำเนินต่อไปสักระยะ แม้ว่าจะเป็นช่วงหลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง

หนึ่งกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่แปลงผ่านกระบวนการนิวเคลียร์จะปล่อยพลังงานประมาณสามล้านเท่า มากกว่าหนึ่งกิโลกรัมของถ่านหินที่ถูกเผาแบบดั้งเดิม (7.2 × 1013 จูลต่อกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 เมื่อเทียบกับ 2.4 × 107 จูลต่อกิโลกรัมของถ่านหิน)[6][7][8]

การระบายความร้อน

ตัวหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - ปกติใช้น้ำ แต่บางครั้งใช้ก๊าซหรือโลหะเหลว (เช่นโซเดียมเหลว) หรือเกลือหลอมละลาย - ถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่จะสร้างออกมา. ความร้อนจะถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์และถูกนำมาใช้ในการสร้างไอน้ำ. ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบทำความเย็นที่แยกทางกายภาพ ออกจากน้ำที่จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันเช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (อังกฤษ: pressurized water reactor (PWR))" แต่ในบางเครื่องปฏิกรณ์, น้ำสำหรับกังหันไอน้ำถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์, ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (อังกฤษ: boiling water reactor (BWR))[9]

การควบคุมการเกิดปฏิกิริยา

บทความหลัก: การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, ความปลอดภัยนิวเคลียร์แบบไม่ตอบโต้, นิวตรอนที่ล่าช้า, หลุมไอโอดีน, SCRAM, และ ความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Decay heat)

พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปรับโดยการควบคุมจำนวนนิวตรอนที่สามารถสร้าง fissions เพิ่มเติม

แท่งควบคุม (อังกฤษ: control rod) จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น

ในระดับแรกของการควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง, กระบวนการของการปล่อยนิวตรอนที่ล่าช้าจากจำนวนของไอโซโทปฟิชชันที่อุดมด้วยนิวตรอน เป็นกระบวนการทางกายภาพที่สำคัญ นิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้มีอยู่ประมาณ 0.65% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชั่น, กับส่วนที่เหลืออยู่ (ที่เรียกว่า "prompt neutron") ที่ถูกปล่อยออกทันทีเมื่อเกิดฟิชชัน ผลผลิตจากฟิชชั่นที่ผลิตนิวตรอนล่าช้ามีครึ่งชีวิตในการสลายตัวของพวกมัน โดยการปล่อยนิวตรอนที่หลากหลายจากมิลลิวินาทีจนถึงเวลาหลายนาที. การรักษาเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในโซนของห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่นิวตรอนล่าช้า เป็นสิ่ง'จำเป็น'เพื่อให้บรรลุสภาวะมวลวิกฤต, เปิดช่วงเวลาให้อุปกรณ์เครื่องกลหรือมนุษย์ผู้ประกอบการที่จะมีเวลาในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ใน "เวลาจริง"; มิฉะนั้นเวลาระหว่างความสำเร็จของวิกฤตและนิวเคลียร์หลอมละลายเป็นผลมาจากไฟกระชากแบบเอ็กโปเนนเชียลจา​​กปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ปกติ, จะสั้นเกินไปที่จะยอมให้มีการแทรกแซง.

ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่น สูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย

ในเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ตัวหล่อเย็นทำหน้าที่เป็น poison โดยการดูดซับนิวตรอนในลักษณะเดียวกับที่แท่งควบคุมทำ. ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ พลังงานส่งออกจะสามารถเพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนตัวหล่อเย็น, ซึ่งทำให้มันมีความหนาแน่นของ poison น้อย. [อ้างจำเป็น] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมีระบบอัตโนมัติและระบบใช้มือในการ scram เครื่องปฏิกรณ์ในกรณีปิดตัวลงฉุกเฉิน ระบบเหล่านี้จะใส่ poison จำนวนมาก (มักจะเป็นโบรอนในรูปแบบของกรดบอริก) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบ หรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย[10]

ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burn-off (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล[11]

เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ใน'การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล' (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือดำน้ำนิวเคลียร์) มักจะไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟต่อเนื่องตลอดเวลา ในลักษณะเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนบกที่ทำงานได้ตามปกติ และนอกจากนี้มักจะต้องมีอายุของแกนที่ยาวมากโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง. ด้วยเหตุผลนี้ การออกแบบจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมสมรรถนะสูง แต่รวม neutron poison ที่ใหม้ไฟได้ลงในแท่งเ​​ชื้อเพลิงโดยตรง[12]. วิธีการนี้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถถูกสร้างด้วยส่วนเกินของวัสดุที่ฟิชชั่นได้, ซึ่งอย่างไรก็ดี ถูกทำให้ค่อนข้างปลอดภัยมากขึ้นในช่วงต้นของวงจรการเผาเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุที่ดูดกลืนนิวตรอน, ที่หลังจากนั้นมีการแทนที่ด้วย neutron poison อายุยาวที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติ (อายุยาวนานกว่าซีนอน-135 มาก) ซึ่งค่อยๆสะสมตลอดช่วงอายุการใช้งานโหลดเชื้อเพลิง

การผลิตพลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือ จะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า[10]