Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy, reaktor atomowy, stos atomowy, 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.
Stan krytyczny uzyskuje się, gdy efektywny współczynnik mnożenia neutronów κ = 1, tzn. gdy strumień neutronów pochodzących z rozszczepienia jąder atomowych kompensuje straty neutronów wynikające z ich rozproszenia i pochłonięcia. Odchylenie stanu reaktora jądrowego od stanu krytycznego opisuje tzw. reaktywność ρ = (κ-1)/κ.
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 Z, 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 przepompowywuje 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, wykonywania naświetlań itp.
Schemat reaktora jądrowego
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 (ciężka 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 wysokostrumieniowe (o strumieniu neutronów przekraczającym 1014 cząstek/cm2s),
2) reaktory jądrowe prędkie (gdy reakcja rozszczepienia zachodzi dzięki neutronom prędkim),
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).
Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w ramach Manhattan Project (CP-1, E. Fermi), obecnie na świecie eksploatowanych jest ich kilka tysięcy, w większości są one reaktorami badawczymi. W Polsce istnieje jeden badawczy reaktor jądrowy w Świerku (Maria). W poprzednich latach istniały jeszcze dwa reaktory (Ewa i Agata), obecnie są one zlikwidowane.



REAKTOR JĄDROWY, urządzenie do przeprowadzania w sposób kontrolowany łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder atomowych (reakcja jądrowa); reakcja zachodzi w znajdującym się w rdzeniu reaktora paliwie jądrowym (uran 235 lub 233, pluton 241 lub 239), a jej przebieg regulują pręty kontrolne (wychwytując nadmiar neutronów, zapobiegają zbytniemu rozwinięciu się reakcji łańcuchowej); do spowalniania neutronów - w celu ułatwienia reakcji z jądrami niektórych pierwiastków - w rdzeniu znajduje się moderator (grafit, zwykła woda, ciężka woda, beryl); reaktory jądrowe służą jako źródło energii (np. w elektrowniach jądrowych), źródło promieniowania neutronowego do produkcji radioizotopów (izotopy) i wytwarzania materiałów rozszczepialnych; są także stosowane do celów badawczych; pierwszy reaktor jądrowy został uruchomiony 1942 w Chicago pod kierunkiem E . Ferniego .


Reaktor jądrowy
Zarys działań .
Cała realna 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. Podobnie przyglądając się kalendarium rozwoju broni jądrowej, można zauważyć , że projekt Manhattan był jakby “skutkiem” działań zmierzających do pokonania w działaniach wojennych jednego narodu przez drugi.
Ważna historia badań jądrowych obejmująca okres od rou 1920 do grudnia 1938, obfitowała w odkrycia zjawisk, które stały się niezbędne w dalszych pracach nad rozszczepieniem jądrowym. W tym czasie tj. 3 czerwca 1920 roku Ernest Rutherford (1871-1937) w pracy naukowej przedstawionej w Bakterian Lecture uważa możliwość istnienia cząstki nazwanej później neutronem. Jego uczeń Jams Chadwick (1891-1974) w dwanaście lat później , 7 – 17 lutego 1932 roku przeprowadza serię eksperymentów , w których wykazuje istnienie neutronu. W grudniu 1935 roku otrzymuje za to odkrycie Nagrodę Nobla.
Po dwuletnim okresie 10 maja 1934 roku grupa badawcza Enrico Ferminiego (1901-1954)ogłasza rezultaty eksperymentów , podczas których wykryto radioaktywne produkty , w sytuacji bombardowania jądra uranu neutronami. Dzień 4 lipca 1934 roku jest dniem opatentowania w przez Leo Szilarda technologii wykorzystywania neutronów w reakcjach łańcuchowych i określenia koncepcji masy krytycznej. Wspomniany już Enriko Fermi w tym samym roku 22 października odkrywa zasadę moderacji neutronowej oraz zjawisko wzmożonego pochłaniania wolnych neutronów. W dniu 21 grudnia 1938 roku Otto Hahn (1879-1968){Nobel 1944}wraz z Fritzem Strassmanem (1902-1980) także niemiecki fizykochemikiem , odkryli rozszczepienie j ą d r a a t o m o w e g o . Publiczne ogłoszenie odkrycia reakcji rozszczepienia zostaje dokonane przez N.Bohra w dniu 26 stycznia 1939 roku w trakcie corocznego kongresu fizyków teoretyków , który odbył się na Uniwersytecie Georga Washingtona w Waszyngtonie. Sukcesy odniesione przez brytyjskich naukowców stały się w tym czasie bodźcem dla kadry naukowej ze Stanów Zjednoczonych, która była zaangażowana w tym czasie w pracach nad pokojowymi badaniami rozszczepienia jądra uranu. Sierpień-wrzesień 1941 roku to czas, w którym Fermi ze swoją grupą badawczą dokonuje montażu podkrytycznego stosu( przyszłego serca reaktora jądrowego).
W połowie września 1942 Fermi demonstruje stos eksperymentalny o współczynniku powielania neutronów większym od jedności. Samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa jest osiągnięta.
W dniu 1 grudnia 1942 roku, po 17 dniach prac nad budową CP-1, grupa Fermiego rozpoczyna prace nad osiągnięciem stanu krytycznego. Stos zawierający 36,3 tony tlenku uranu, 5,6 tony metalicznego uranu i 350 ton grafitu osiąga stan krytyczny, a tym samym osiągnięta moc wyjściowa ma wartość 0,5 wata. W efekcie , w Chicago zaczął pracować pierwszy na świecie reaktor jądrowy , w którym uzyskano maksymalną moc 200 wató.