Kilka słów wstępnych. Cała współczesna historia reaktora jądrowego, urządzenia umożliwiającego przeprowadzenie w sposób kontrolowany szczególnej reakcji, jaką jest rozszczepienie jądra atomowego, rozpoczęła się ponad 60 lat temu. Rozwój techniki najczęściej był związany z wojnami, jaki ludzie przeprowadzali w przeszłości. Ważna historia badań jądrowych obejmująca okres od roku 1920 do grudnia 1938, obfitowała w odkrycia zjawisk, które stały się niezbędne w dalszych pracach nad rozszczepieniem jądrowym. 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. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne, pręty bezpieczeństwa, moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze. Podstawowym elementem reaktora jądrowego są pręty paliwowe, które zawierają paliwo jądrowe w formie fizykochemicznej i o stopniu wzbogacenia dostosowanym do konstrukcji reaktora jądrowego. Moderator wykonany jest z materiałów zawierających duże ilości atomów o małej liczbie porządkowej skutecznie zmniejszających energię neutronów produkowanych w trakcie rozszczepiania. 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. Przez kanały chłodzące przepompowuje się chłodziwo tzw. pierwszego obiegu (typowym chłodziwem jest woda, stosuje się również powietrze, azot, ciekły sód itd.). Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów i wykonywania naświetlań. Bliżej o reakcji rozszczepiania. 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 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 i działanie. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z: 1. Rdzenia · 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 nie spalony 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 jaki ciezka 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 cieżka 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. Reaktory dzielą się pod wieloma względami. ---- 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). ---- Częstym kryterium klasyfikacji reaktorów jądrowych jest rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa - istnieją zatem reaktory jądrowe wodno-wodne, ciężkowodno-wodne cięzka woda), grafitowo-wodne, grafitowo-powietrzne, grafitowo-sodowe itp. ---- Innym rodzajem klasyfikacji reaktorów jądrowych jest podział ze względu na wykorzystywaną energię neutronów lub wielkość ich strumienia (cechy te określają rodzaj paliwa i wiele innych parametrów reaktora). Zgodnie z tym kryterium 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).
