Reaktor jądrowy

Rdzeń reaktora jądrowego

WWER-1000

Reaktor badawczy PULSAR, o mocy 1MW

Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzanie dodatkowych substancji pochłaniających lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych (służących do normalnej regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa (stosowanych do awaryjnego wyłączania reaktora). Substancjami używanymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm, natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę chłodziwa.

Podział reaktorów

Podział według rodzaju reakcji jądrowej

• Rozszczepienie jądra atomowego - większość reaktorów, w tym wszystkie komercyjne, oparta jest na zjawisku rozszczepienia jądra atomowego. Najczęściej jako paliwo używany jest uran, ale trwają badania nad wykorzystaniem toru (na przykład w reaktorach solnych). W tym artykule w większości fragmentów zakłada się, że mowa o wykorzystaniu rozszczepienia jądra atomowego, chyba że jest napisane inaczej.
• Kontrolowana synteza termojądrowa - wykorzystanie kontrolowanej syntezy jądrowej (najczęściej z wodorem jako paliwem) jest w fazie eksperymentalnej. Jak dotąd nie udało się przeprowadzić kontrolowanej syntezy z dodatnim bilansem energetycznym. Jednakowoż fuzory Farnswortha–Hirscha są używane do wytwarzania promieniowania neutronowego.
• Rozpad promieniotwórczy - na przykład Radioizotopowe generatory termoelektryczne oraz baterie jądrowe

Podział według chłodziwa

• reaktory wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER), w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem (na tyle wysokim by woda nie zaczęła wrzeć podczas normalnej pracy reaktora).
• reaktory wodne, wrzące (BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła woda, ale wrząca,
  • wyjątkowymi reaktorami wodnymi, wrzącymi są reaktory RBMK (tego typu reaktory były między innymi w Czarnobylu oraz w innych elektrowniach na terenie byłego ZSRR), chłodzone są wodą wrzącą w kanałach paliwowych, a moderowane grafitem. Ten rodzaj reaktorów jest uznawany za jeden z najniebezpieczniejszych (elektrownia w Czarnobylu posiadała cztery reaktory typu RBMK).
• reaktory wodne, basenowe, gdzie pręty paliwowe zanurzone są w basenie ze zwykłą wodą, która jest chłodziwem i moderatorem. Warstwa wody nad rdzeniem ma wystarczającą grubość, by ekranować promieniowanie umożliwiając personelowi reaktora bezpieczną pracę ponad basenem.
• reaktory ciężkowodne (PHWR np. CANDU ), chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda,
• reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), w których chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit,
• reaktory prędkie (LMFR na szybkich neutronach), pozbawione moderatora, chłodziwem są najczęściej stopione metale: sód, rzadziej ołów,
• reaktory solne (MSR), gdzie chłodziwem są stopione sole, najczęściej fluoru.

Podstawowe typy reaktorów energetycznych

Grupa	Typ reaktora	Chłodziwo	rodzaj	Moderator	Paliwo jądrowe
Grafitowo - gazowe GCR	AGR	CO2, gaz	-	grafit	UO2 wzbogacony
	Magnox	gaz, CO2	-		U Naturalny
	HTR	Hel	-		UO2, UC2, ThO2, ... (235U, 233U, Pu)
Ciężkowodne	PHWR	ciężka woda	ciśnieniowy	ciężka woda	UO2 naturalny lub wzbogacony
	BHWR		wrzący
Lekkowodne LWR	BWR	lekka woda	wrzący	lekka woda	UO2 wzbogacony lub UO2 wzbogacony i MOX
	PWR		ciśnieniowy
	WWER		ciśnieniowy
Wodno - grafitowe	RBMK	lekka woda	wrzący	grafit	UO2 wzbogacony
	GLWR		ciśnieniowy		U naturalny lub wzbogacony
Lekko - ciężkowodne	HWLWR	lekka woda	wrzący	ciężka woda	UO2 wzbogacony - PuO2
Prędkie	FBR	sód	-	-	UO2 wzbogacony - PuO2
AGR - Advanced Gas-cooled Reactor BHWR - Boiling Heavy Water Reactor BWR - Boiling Water Reactor (ABWR - Advanced Boiling Water Reactor) FBR - Fast Breeder Reactor GCR - Gas Cooled Reactor - reaktor chłodzony gazem GLWR - Graphite Light Water Reactor HTR - High Temperature (Gas-cooled) Reactor HWLWR - Heavy Water - Light Water Reactor LWR - Light Water Reactor Magnox - nazwa pochodzi od stopu magnezowego koszulek paliwowych PHWR - Pressurized Heavy Water Reactor PWR - Pressurized Water Reactor - reaktor wodny ciśnieniowy RBMK - Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj WWER - Wodno Wodianoj Energeticzeskij Reaktor VHTR - Very High Temperature Reactor

Podział według generacji

• Pierwszej generacji - prototypowe
• Drugiej generacji - pierwsze reaktory przemysłowe
• Trzeciej generacji - reaktory nowszych konstrukcji
• Czwartej generacji - najnowsze, w fazie projektów

Podział według przeznaczenia

• energetyczne
• napędowe (głównie okrętów podwodnych i innych dużych okrętów)
• militarne (wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej)
• badawcze

Budowa reaktora

Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne (pochłaniają nadmiar neutronów), pręty bezpieczeństwa, moderator (zmniejsza energię neutronów), kanały chłodzenia i kanały badawcze.

Odprowadzanie wytworzonej energii

W reaktorach badawczych ciepło zazwyczaj odprowadzane jest bezpośrednio do chłodni wentylatorowych. Natomiast w zdecydowanej większości elektrowni jądrowych, energia cieplna pochodząca z reakcji jądrowych jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora: odparowuje (reaktory wrzące BWR) lub nie (jeśli jest pod wysokim ciśnieniem - reaktory ciśnieniowe PWR i WWER). Przekazanie ciepła w elektrowni jądrowej następuje w wytwornicy pary, która dzieli cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona w wytwornicy para napędza turbozespół.

Paliwo

W większości reaktorów (a we wszystkich lekko-wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężkowodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów. Reaktory prędkie wymagają jako paliwa bardziej wzbogaconego uranu (do 20%), bądź plutonu. Produkują za to, w procesie wychwytu neutronu i następujących rozpadów beta, pluton-239 z uranu U-238. Pluton może być następnie, po wydzieleniu używany jako paliwo. Przy odpowiedniej konstrukcji reaktor jest w stanie produkować w ten sposób więcej paliwa, niż go zużywa (reaktor powielający).

Przyszłość

W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać stan krytyczny, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz. W celu uzyskania dużej ilości neutronów naukowcy pracują nad zastosowaniem zjawiska spalacji. W zjawisku tym jądra ciężkich pierwiastków np. ołowiu są bombardowane wiązką protonów o dużej energii (rzędu 1 GeV), w wyniku czego ulegają wzbudzeniu. Jądra pozbywają się energii wzbudzenia wyrzucając z siebie nukleony w tym i neutrony. Zjawisko spalacji może być stosowane w celu uczynienia bezpiecznymi i przedłużenia pracy paliwa obecnych reaktorów jądrowych, a także pomóc w utylizacji radioaktywnych odpadów.

Obecnie Indie opracowują reaktor typu AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) przystosowany do pracy z użyciem toru.

Historia

• Pierwszy reaktor (uranowo-grafitowy) zwany CP-1 (ang. Chicago Pile no.1, "Stos chicagowski nr 1") zbudowany został na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem włoskiego uczonego Enrico Fermiego. Pierwsza kontrolowana reakcja łańcuchowa została w nim zapoczątkowana 2 grudnia 1942.

• 26 kwietnia 1986 miała miejsce katastrofa energetyki jądrowej tzw. Katastrofa w Czarnobylu

• 12 marca 2011 miała miejsce największa katastrofa energetyki jądrowej w dziejach ludzkości która trwa do chwili obecnej - katastrofa w elektrowni jądrowej w Fukushimie

Statystyka

Na świecie pracuje 440 reaktorów jądrowych generujących energię elektryczną. Znamionowa moc elektryczna bloków energetycznych, w których skład wchodziły wynosiła 372,2 GW(e). W stanie budowy znajduje się 61 reaktorów, 158 jest planowanych, a 326 kolejnych zaproponowanych.

W 2004 roku 266 reaktorów to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR i WWER) mogące wytworzyć 239,6 GW(e). 22 reaktory jądrowe były w budowie, z czego 12 to PWR i WWER.

Polskie reaktory:

• Ewa
• Maria

W Kartoszynie nad Jeziorem Żarnowieckim budowano Elektrownię Jądrową Żarnowiec, lecz w 1990 budowa została przerwana.

Dodatkowe źródła

• S. Michale Modro, Michale W. Jankowski. Postęp w dziedzinie bezpieczeństwa reaktorów jądrowych (18 stron, 18 ref). . apw.ee.pw.edu.pl. [dostęp 2011-03-25]. (pol.). {{Cytuj pismo}} Nieprawidłowe/puste pola: "czasopismo". Nieznane pola: 1.brak numeru strony
• Maciej Zarzycki. Jądrowe reaktory energetyczne - budowa, zasada działania, eksploatacja. „www.atomowyautobus.pl/referaty (37 stron, 39 ref)”. Fundacja Forum atomowe. brak numeru strony

Zobacz też

• elektrownia jądrowa
• katastrofa w Czarnobylu
• lista reaktorów jądrowych
• Oklo
• reakcja jądrowa
• rdzeń reaktora jądrowego
• reaktor