Urządzenie i zasada działania reaktora jądrowego opierają się na zainicjowaniu i kontroli samopodtrzymującej się reakcji jądrowej. Jest używany jako narzędzie badawcze, do produkcji izotopów promieniotwórczych oraz jako źródło zasilania elektrowni jądrowych.
Reaktor jądrowy: jak to działa (krótko)
Wykorzystywany jest tutaj proces rozszczepienia jądrowego, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa mniejsze fragmenty. Fragmenty te są w stanie silnie wzbudzonym i emitują neutrony, inne cząstki subatomowe oraz fotony. Neutrony mogą powodować nowe rozszczepienia, w wyniku których emitowanych jest więcej neutronów i tak dalej. Taka ciągła, samopodtrzymująca się seria podziałów nazywana jest reakcją łańcuchową. Jednocześnie uwalniana jest duża ilość energii, której produkcja jest celem wykorzystania elektrowni jądrowych.
Zasada działania reaktora jądrowego i elektrowni jądrowej jest taka, że około 85% energii rozszczepienia jest uwalniane w bardzo krótkim czasie po rozpoczęciu reakcji. Reszta jest produkowana wwynik radioaktywnego rozpadu produktów rozszczepienia po wyemitowaniu przez nie neutronów. Rozpad promieniotwórczy to proces, w którym atom osiąga bardziej stabilny stan. Trwa nawet po zakończeniu podziału.
W bombie atomowej reakcja łańcuchowa nasila się, aż do rozszczepienia większości materiału. Dzieje się to bardzo szybko, powodując niezwykle potężne eksplozje charakterystyczne dla takich bomb. Urządzenie i zasada działania reaktora jądrowego opiera się na utrzymywaniu reakcji łańcuchowej na kontrolowanym, niemal stałym poziomie. Został zaprojektowany w taki sposób, że nie może wybuchnąć jak bomba atomowa.
Reakcja łańcuchowa i krytyczność
Fizyka reaktora jądrowego polega na tym, że reakcja łańcuchowa jest określona przez prawdopodobieństwo rozszczepienia jądrowego po emisji neutronów. Jeśli populacja tych ostatnich zmniejszy się, wówczas stopień rozszczepienia ostatecznie spadnie do zera. W takim przypadku reaktor będzie w stanie podkrytycznym. Jeśli populacja neutronów utrzyma się na stałym poziomie, szybkość rozszczepienia pozostanie stabilna. Reaktor będzie w stanie krytycznym. I wreszcie, jeśli populacja neutronów z czasem wzrośnie, szybkość i moc rozszczepienia wzrosną. Rdzeń stanie się nadkrytyczny.
Zasada działania reaktora jądrowego jest następująca. Przed startem populacja neutronów jest bliska zeru. Operatorzy następnie usuwają pręty kontrolne z rdzenia, zwiększając rozszczepienie jądra, co tymczasowo przekłada sięreaktor do stanu nadkrytycznego. Po osiągnięciu mocy nominalnej operatorzy częściowo zwracają pręty sterujące, dostosowując liczbę neutronów. W przyszłości reaktor utrzymywany jest w stanie krytycznym. Kiedy trzeba go zatrzymać, operatorzy wstawiają pręty całkowicie. To tłumi rozszczepienie i doprowadza rdzeń do stanu podkrytycznego.
Rodzaje reaktorów
Większość światowych instalacji jądrowych wytwarza energię, wytwarzając ciepło potrzebne do obracania turbin napędzających generatory energii elektrycznej. Istnieje również wiele reaktorów badawczych, a niektóre kraje mają łodzie podwodne lub okręty nawodne o napędzie atomowym.
Elektrownie
Istnieje kilka typów reaktorów tego typu, ale konstrukcja z lekką wodą znalazła szerokie zastosowanie. Z kolei może używać wody pod ciśnieniem lub wrzącej wody. W pierwszym przypadku ciecz pod wysokim ciśnieniem jest podgrzewana przez ciepło rdzenia i wchodzi do wytwornicy pary. Tam ciepło z obiegu pierwotnego jest przekazywane do obiegu wtórnego, który również zawiera wodę. Powstająca para wodna służy jako płyn roboczy w obiegu turbiny parowej.
Reaktor wrzący działa na zasadzie bezpośredniego obiegu energii. Woda przechodząca przez strefę aktywną jest doprowadzana do wrzenia przy średnim poziomie ciśnienia. Para nasycona przechodzi przez szereg separatorów i osuszaczy znajdujących się w zbiorniku reaktora, co doprowadza ją dostan przegrzany. Przegrzana para wodna jest następnie wykorzystywana jako płyn roboczy do obracania turbiny.
Chłodzenie gazem wysokotemperaturowym
Reaktor chłodzony gazem o wysokiej temperaturze (HTGR) to reaktor jądrowy, którego zasada działania opiera się na wykorzystaniu mieszaniny grafitu i mikrosfer paliwa jako paliwa. Istnieją dwa konkurujące projekty:
- Niemiecki system „wypełniaczy”, który wykorzystuje sferyczne ogniwa paliwowe o średnicy 60 mm, które są mieszaniną grafitu i paliwa w grafitowej powłoce;
- Wersja amerykańska w postaci grafitowych sześciokątnych pryzmatów, które zazębiają się, tworząc strefę aktywną.
W obu przypadkach chłodziwo składa się z helu pod ciśnieniem około 100 atmosfer. W systemie niemieckim hel przechodzi przez szczeliny w warstwie kulistych elementów paliwowych, a w systemie amerykańskim przez otwory w grafitowych pryzmatach usytuowane wzdłuż osi środkowej strefy reaktora. Obie opcje mogą działać w bardzo wysokich temperaturach, ponieważ grafit ma wyjątkowo wysoką temperaturę sublimacji, natomiast hel jest całkowicie obojętny chemicznie. Gorący hel może być stosowany bezpośrednio jako płyn roboczy w turbinie gazowej o wysokiej temperaturze lub jego ciepło może być wykorzystane do wytwarzania pary w obiegu wodnym.
Reaktor jądrowy z ciekłym metalem: schemat i zasada działania
Szybkie reaktory neutronowe z chłodziwem sodowym cieszyły się dużym zainteresowaniem w latach 60. i 70. XX wieku. Następniewydawało się, że ich zdolność do reprodukcji paliwa jądrowego w niedalekiej przyszłości jest niezbędna do produkcji paliwa dla szybko rozwijającego się przemysłu jądrowego. Kiedy w latach 80. stało się jasne, że to oczekiwanie jest nierealne, entuzjazm osłabł. Jednak szereg reaktorów tego typu zbudowano w USA, Rosji, Francji, Wielkiej Brytanii, Japonii i Niemczech. Większość z nich pracuje na dwutlenku uranu lub jego mieszaninie z dwutlenkiem plutonu. Jednak w Stanach Zjednoczonych największy sukces odniosły paliwa metaliczne.
CANDU
Kanada skoncentrowała swoje wysiłki na reaktorach wykorzystujących naturalny uran. Eliminuje to konieczność korzystania z usług innych krajów. Efektem tej polityki był reaktor deuterowo-uranowy (CANDU). Sterowanie i chłodzenie w nim odbywa się za pomocą ciężkiej wody. Urządzenie i zasada działania reaktora jądrowego polega na zastosowaniu zbiornika z zimnym D2O pod ciśnieniem atmosferycznym. Rdzeń przebijają rurki wykonane ze stopu cyrkonu z naturalnym paliwem uranowym, przez które schładza go ciężka woda. Energia elektryczna jest wytwarzana poprzez przeniesienie ciepła rozszczepienia w ciężkiej wodzie do chłodziwa, które krąży w generatorze pary. Para w obwodzie wtórnym przechodzi następnie przez normalny cykl turbiny.
Instalacje badawcze
Do badań naukowych najczęściej wykorzystywany jest reaktor jądrowy, którego zasadą jest zastosowanie chłodzenia wodnego ilamelarne uranowe elementy paliwowe w postaci zespołów. Zdolny do pracy w szerokim zakresie poziomów mocy, od kilku kilowatów do setek megawatów. Ponieważ wytwarzanie energii nie jest głównym zadaniem reaktorów badawczych, charakteryzują się one generowaną energią cieplną, gęstością i energią nominalną neutronów w rdzeniu. To właśnie te parametry pomagają określić ilościowo zdolność reaktora badawczego do prowadzenia określonych badań. Systemy o niskim poborze mocy są zwykle używane na uniwersytetach do celów dydaktycznych, podczas gdy systemy o dużej mocy są potrzebne w laboratoriach badawczo-rozwojowych do testowania materiałów i wydajności oraz badań ogólnych.
Najbardziej powszechny badawczy reaktor jądrowy, którego budowa i zasada działania są następujące. Jego strefa aktywna znajduje się na dnie dużego, głębokiego basenu wodnego. Upraszcza to obserwację i rozmieszczenie kanałów, przez które można kierować wiązki neutronów. Przy niskich poziomach mocy nie ma potrzeby odpowietrzania chłodziwa, ponieważ naturalna konwekcja chłodziwa zapewnia wystarczające rozpraszanie ciepła, aby utrzymać bezpieczne warunki pracy. Wymiennik ciepła jest zwykle umieszczony na powierzchni lub w górnej części basenu, gdzie gromadzi się gorąca woda.
Instalacje na statku
Pierwotnym i głównym zastosowaniem reaktorów jądrowych są okręty podwodne. Ich główną zaletą jest:że w przeciwieństwie do systemów spalania paliw kopalnych nie potrzebują powietrza do wytwarzania energii elektrycznej. Dlatego atomowa łódź podwodna może pozostawać zanurzona przez długi czas, podczas gdy konwencjonalna łódź podwodna z silnikiem Diesla musi okresowo wznosić się na powierzchnię, aby uruchomić swoje silniki w powietrzu. Energia jądrowa daje strategiczną przewagę okrętom Marynarki Wojennej. Eliminuje konieczność tankowania w portach zagranicznych lub na wrażliwych tankowcach.
Zasada działania reaktora jądrowego na łodzi podwodnej jest utajniona. Wiadomo jednak, że w USA używa wysoko wzbogaconego uranu, a spowalnianie i chłodzenie odbywa się za pomocą lekkiej wody. Projekt pierwszego reaktora atomowego okrętu podwodnego USS Nautilus był pod silnym wpływem potężnego zaplecza badawczego. Jego unikalnymi cechami są bardzo duży margines reaktywności, który zapewnia długi okres eksploatacji bez tankowania oraz możliwość restartu po postoju. Elektrownia w łodziach podwodnych musi być bardzo cicha, aby uniknąć wykrycia. Aby sprostać specyficznym potrzebom różnych klas okrętów podwodnych, stworzono różne modele elektrowni.
Lotniskowce marynarki wojennej USA używają reaktora jądrowego, którego zasada jest prawdopodobnie zapożyczona z największych okrętów podwodnych. Szczegóły ich projektu również nie zostały ujawnione.
Oprócz USA, atomowe okręty podwodne mają Wielka Brytania, Francja, Rosja, Chiny i Indie. W każdym przypadku projekt nie został ujawniony, ale uważa się, że wszystkie są bardzo podobne - tojest konsekwencją tych samych wymagań dotyczących ich właściwości technicznych. Rosja posiada również niewielką flotę lodołamaczy o napędzie atomowym, które mają takie same reaktory jak radzieckie okręty podwodne.
Instalacje przemysłowe
Do produkcji plutonu-239 nadającego się do broni używa się reaktora jądrowego, którego zasadą jest wysoka wydajność przy niskim poziomie produkcji energii. Wynika to z faktu, że długie przebywanie plutonu w rdzeniu prowadzi do akumulacji niechcianych 240Pu.
Produkcja trytu
Obecnie głównym materiałem wytwarzanym przez takie systemy jest tryt (3H lub T), ładunek bomb wodorowych. Pluton-239 ma długi okres półtrwania wynoszący 24 100 lat, więc kraje z arsenałem broni jądrowej wykorzystujące ten pierwiastek mają go zwykle więcej niż potrzebują. W przeciwieństwie do 239Pu, tryt ma okres półtrwania około 12 lat. Stąd, aby utrzymać niezbędne zapasy, ów radioaktywny izotop wodoru musi być produkowany w sposób ciągły. Na przykład w USA w Savannah River w Południowej Karolinie znajduje się kilka reaktorów ciężkowodnych, które produkują tryt.
Pływające jednostki napędowe
Stworzono reaktory jądrowe, które mogą dostarczać energię elektryczną i ogrzewanie parowe do odległych, odizolowanych obszarów. Na przykład w Rosji znalazły zastosowaniemałe elektrownie specjalnie zaprojektowane do obsługi społeczności arktycznych. W Chinach zakład HTR-10 o mocy 10 MW dostarcza ciepło i energię do instytutu badawczego, w którym się znajduje. Małe reaktory sterowane o podobnych możliwościach powstają w Szwecji i Kanadzie. W latach 1960-1972 armia amerykańska wykorzystywała kompaktowe reaktory wodne do zasilania odległych baz na Grenlandii i Antarktydzie. Zostały one zastąpione elektrowniami opalanymi ropą.
Eksploracja kosmosu
Ponadto opracowano reaktory do zasilania i przemieszczania się w przestrzeni kosmicznej. W latach 1967-1988 Związek Radziecki zainstalował na satelitach Kosmosu małe instalacje jądrowe do zasilania urządzeń i telemetrii, ale polityka ta stała się obiektem krytyki. Co najmniej jeden z tych satelitów wszedł w atmosferę Ziemi, powodując skażenie radioaktywne odległych obszarów Kanady. Stany Zjednoczone wystrzeliły tylko jednego satelitę o napędzie jądrowym w 1965 roku. Jednak projekty ich wykorzystania w lotach w daleki kosmos, załogowej eksploracji innych planet lub na stałej bazie księżycowej są nadal rozwijane. Będzie to koniecznie reaktor jądrowy chłodzony gazem lub ciekłym metalem, którego zasady fizyczne zapewnią najwyższą możliwą temperaturę niezbędną do zminimalizowania rozmiaru grzejnika. Ponadto reaktor kosmiczny powinien być jak najbardziej zwarty, aby zminimalizować ilość użytego materiałuekranowanie oraz w celu zmniejszenia masy podczas startu i lotu kosmicznego. Zapas paliwa zapewni pracę reaktora przez cały okres lotu kosmicznego.
