Reaktor jądrowy

CZYM JEST REAKTOR JĄDROWY?
Reaktor jądrowy jest to urządzenie służące do wytwarzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej, tj. ciągłego pozyskiwania energii z rozszczepiania jąder atomowych. Stan kontrolowanej reakcji jądrowej podtrzymującej się samoczynnie na ustalonym poziomie nazywany jest stanem krytycznym. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny. Reaktor jest sterowalny i bezpieczny, gdy ma małą, dodatnią reaktywność związaną z neutronami opóźnionymi.

ZASADA DZIAŁANIA
Reaktor jądrowy, urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich (jądrowe reakcje łańcuchowe) na dwa lżejsze. Reakcja rozczepiania jąder zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (2m/s), zwanym neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów(3) oraz porcje energii. Część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor. W wyniku reakcji rozszczepiania (jądra rozszczepienie) w rdzeniu reaktora jądrowego wytwarza się promieniowanie jądrowe oraz ciepło. Gdy liczba neutronów powstających w reaktorze jądrowym w jednostkowym czasie w wyniku rozszczepień jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie wskutek pochłaniania i ucieczki, wówczas reaktor pracuje w stanie ustalonym (tzw. stan krytyczny reaktora jądrowego); jest to normalny stan pracy reaktora jądrowego, który można osiągnąć przy różnym poziomie produkcji i strat neutronów. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny. Nowe jądra powstające w trakcie rozszczepienia, zw. fragmentami rozszczepienia, dają początek łańcuchom rozpadów promieniotwórczych; elementy tych łańcuchów stanowią produkty rozszczepienia (olbrzymia większość z nich — kilkaset — to izotopy promieniotwórcze).

BUDOWA REAKTORA
1. Rdzeń
• Pręty paliwowe zawierają paliwo jądrowe ( zwykle granulowany tlenek uranu).
• Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej - oba te rodzaje prętów wsuwa się
i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby.
Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4-5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i niespalony uran.
• Chłodziwa -reaktory trzeba chłodzić, by odbierać produkowaną w nich energię. Chłodziwo w wymiennikach ciepła grzeje wodę w drugim obiegu, nie stykając się bezpośrednio z reaktorem. Chłodziwem może być zarówno zwykła, jak i ciężka woda. Niekiedy buduje się reaktory, w których ciśnienie wody chłodzącej dobrano w ten sposób, że wrze ona, gdy przechodzi przez rdzeń reaktora. W innych woda pod ciśnieniem 100-140 atmosfer ogrzewa się nawet do 3000C, co pozwala na znaczne podniesienie sprawności urządzenia. Chłodziwem może być również powietrze, gazy, tj. wodór czy hel, lub ciekły metal- sód, potas bądź bizmut
• Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów, wykonywania naświetlań itp.
• Moderator - w nowoczesnych reaktorach trzeba go stosować. Obecnie stosuje się trzy jego rodzaje: grafit, wodę, ciężką wodę. Jego zadaniem jest spowolnianie neutronów. Jeżeli szybkie neutrony zderzą się z jądrami lekkich pierwiastków, następuje ich spowolnienie. Na początku najczęściej stosowano grafit. Obecnie wykorzystujemy go w niektórych rodzajach reaktorów, w tym w wysokowydajnych grafitowo-sodowych, chłodzonych ciekłym sodem. Reaktory, w których role moderatora pełni ciężka woda, charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów.
2. Reflektor neutronów- celem reflektora neutronów jest zwiększenie strumienia neutronów w zewnętrznych częściach rdzenia lub ładunku dzięki rozpraszaniu neutronów wstecz, do obszaru zachodzenia reakcji łańcuchowej.
3.Osłony biologiczne- zabezpieczają, żeby promieniowanie nie wydostało się na zewnątrz.

PALIWO
W większości reaktorów (a we wszystkich wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z 0,7%) ale reaktory ciężkowodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów. W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe wzbogacony tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Niestety rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, 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 spalalcji 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 "spalania" toru.

STATYSTYKA
10 listopada 2004 roku było na świecie 440 reaktorów. Znamionowa moc elektryczna bloków energetycznych, w których skład wchodziły wynosiła 366,5 GW(e). Tylko 48 z tych bloków miało mniej niż 10 lat. 266 reaktorów to reaktory wodne ciśnieniowe (wodne, ciśnieniowe) mogące wytworzyć 239,6 GW(e). 22 reaktory jądrowe było w budowie, z czego 12 to reaktory energetyczne wodne lub ciśnieniowe. CP-1, Chicago Pile 1, pierwszy na świecie reaktor jądrowy uruchomiony 2 XII 1942 o 15:25 przez E. Fermiego w podziemiach stadionu piłkarskiego w Chicago. Zawierał 6 t metalicznego uranu i 34 t tlenku uranu, posiadał moderator grafitowy. Osiągał moc 200 W. W 1943 przeniesiono go do Argonne National Laboratory (ANL), gdzie po udoskonaleniach uruchomiono go ponownie jako CP-2. Ewa pierwszy w Polsce doświadczalny reaktor jądrowy, uruchomiony w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku pod Warszawą (obecnie Instytut Energii Atomowej) dnia 14 czerwca 1958r. Była to konstrukcja radziecka, typu WWR-S, o mocy cieplnej pierwotnie równej 2 MW, gdzie paliwem był wzbogacony do 10% uran, moderatorem i chłodziwem natomiast zwykła woda. W 1963 i 1967 reaktor modernizowano, m.in. zwiększając wzbogacenie paliwa (dodając również układy zwiększające bezpieczeństwo eksploatacji), w wyniku, czego jego moc cieplna wzrosła kolejno do 4 MW i 10 MW. Reaktor ten był wykorzystywany do produkcji izotopów promieniotwórczych. Maria największy reaktor jądrowy znajdujący się w Polsce (Świerk pod Warszawą), uruchomiony w grudniu 1974. Moc cieplna reaktora Marii wynosi 30 MW. Nazwany dla upamiętnienia Marii Skłodowskiej Curie.

PODZIAŁ
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się:
1) Reaktory jądrowe badawcze (o małej, tzw. zerowej mocy, wykorzystywane w badaniach naukowych jako silne źródła neutronów).
2) Reaktory jądrowe produkcyjne (służące do wytwarzania sztucznych pierwiastków promieniotwórczych na drodze aktywacji, głównie do produkcji plutonu - szczególną klasę tych reaktorów stanowią tzw. reaktory jądrowe powielające, w których paliwo jądrowe w trakcie wypalania przekształca się w inny rodzaj paliwa jądrowego).
3) Reaktory jądrowe energetyczne (wytwarzające energię cieplną przekształcaną w energię mechaniczną w napędach nuklearnych okrętów lub w energię elektryczną w energetyce jądrowej).
4) Reaktory jądrowe doświadczalne (prototypy nowych rozwiązań technicznych stosowanych w reaktorach jądrowych)

Ze względu na rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa:
1) Reaktory jądrowe wodno-wodne
2) Reaktory jądrowe ciężkowodno-wodne (ciężka woda),
3) Reaktory jądrowe grafitowo-wodne
4) Reaktory jądrowe grafitowo-powietrzne
5) Reaktory jądrowe grafitowo-sodowe

Ze względu na wykorzystywaną energię neutronów lub wielkość ich strumienia (cechy te określają rodzaj paliwa i wiele innych parametrów reaktora) rozróżnia się:
1) reaktory jądrowe wysoko-strumieniowe (o strumieniu neutronów przekraczającym 1014 cząstek/cm2s),
2) reaktory jądrowe prędkie (gdy reakcja rozszczepienia zachodzi dzięki neutronom prędkim, nie ma w nim moderatora, chłodziwo musi być odpowiednie by nie spowalniać neutronów)
3) reaktory jądrowe pośrednie (gdy stosuje się neutrony pośrednie),
4) reaktory jądrowe termiczne (wykorzystywane są neutrony termiczne),
5) reaktory jądrowe epitermiczne (reakcja zachodzi dzięki neutronom epitermicznym).

CZARNOBYL
W pobliżu Czarnobyla znajduje się Elektrownia Jądrowa (pierwotnie im. W.I. Lenina) posiadająca 4 reaktory typu RMBK-1000 o mocy elektrycznej 1000 MW każdy. Były to ciśnieniowe reaktory wodne starego typu, nie stosowanego poza ZSRR. Różniły się od innych reaktorów, tym, że zostały zaprojektowany tak, aby oprócz energii elektrycznej można było z nich otrzymywać także pluton do produkcji broni jądrowej.
26 kwietnia 1986 roku, o godzinie 1.23 czasu moskiewskiego, na skutek ewidentnych błędów operatora i wyłączenia systemów awaryjnych w trakcie przeprowadzania eksperymentu mającego zwiększyć bezpieczeństwo pracy reaktora, doszło do utraty kontroli nad reaktorem bloku IV.
Moc reaktora wzrosła ok. stukrotnie, co spowodowało wzrost temperatury rdzenia do ok. 2000C i dwa kolejne wybuchy (rozsadzenie układu chłodzenia przez parę wodną i wybuch mieszaniny piorunującej, pochodzącej z rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem kontaktu z rozżarzonymi materiałami konstrukcyjnymi, np. grafitem i cyrkonem).
Wybuch rozpoczął dziesięciodniowy pożar moderatora grafitowego, w trakcie, którego rdzeń reaktora stopił się, a do środowiska przedostało się kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych. Pożar ugaszono dzięki poświęceniu gaszących strażaków i wojska, 31 osób zmarło w wyniku bezpośredniego napromienienia i oparzeń, ponad 200 było hospitalizowanych w związku z chorobą popromienną.
Trzydziestokilometrową strefę wokół reaktorów ewakuowano i zamknięto, później ewakuowano też ludność z najsilniej skażonych terenów Białorusi (np. wsie w rejonie Homla odległe o ponad 200 km od reaktora).
Katastrofa w Czarnobylu była największą w dziejach katastrofą reaktora jądrowego, jednak pod względem ilości substancji promieniotwórczych wprowadzonych do środowiska ustępuje miejsca próbom z bronią jądrową prowadzonym w latach 50 i 60 głównie przez USA i były ZSRR oraz eksploatacji (w przeciągu 40 lat) zakładów przeróbki paliwa jądrowego w byłym ZSRR. W chwili obecnej w Czarnobylu reaktor IV pokryty jest ochronnym budynkiem (tzw. sarkofagiem), pozostałe trzy reaktory pracowały do 2000 roku.