Elektrownie jądrowe

Elektrownie jądrowe
Promieniotwórczość znana jest nam stosunkowo krótko. Jej badania sięgają
przełomu XIX i XX w., a początki zawdzięczamy Marii Curie-Skłodowskiej, Piotrowi
Curie i Henri Becquerelowi. Przełomem było jednak odkrycie w roku 1938
rozszczepienia atomu przez badaczy Hahna i Strassmanna. Odkrycie było fascynujące
nie tylko pod względem czysto naukowym: w obliczeniach uzyskano wynik ok. 200 MeV
uzyskiwanych z jednego jądra uranu, podczas gdy w powszechnie używanych reakcjach
chemicznych, takich jak np. spalanie węgla, na atom przypada energia ok. 4-5 eV.
Właściwie tuż po odkryciu reakcji rozszczepienia jądra pojawiły się pomysły
stworzenia reaktora jądrowego, czyli urządzenia, w którym może być realizowana
kontrolowana reakcja łańcuchowa. Kontrolowana: czyli liczba rozszczepień w jednostce
czasu i związana z tym moc cieplna są stałe. Gdy liczba neutronów powstających w
reaktorze w jednostkowym czasie jest równa liczbie neutronów traconych w tym
samym czasie w wyniku pochłaniania i ucieczki, stan pracy reaktora określa się jako
krytyczny, a tzw. współczynnik powielania wynosi wówczas 0. Jest to normalny stan
pracy reaktora. Sterowanie reaktorem polega więc na regulacji poziomu neutronów w
reaktorze. Do tego wykorzystuje się materiały mające duży przekrój czynny na
pochłanianie neutronów (bor, kadm). Z tych materiałów wykonuje się pręty sterujące
(które utrzymują właściwy poziom neutronów w reaktorze) i pręty bezpieczeństwa
(służące tylko do awaryjnego wyłączania reaktora).
Paliwem jądrowym jest uran, pluton i pośrednio tor (w czasie pracy reaktorów).
Najczęściej stosowany jest uran. Koszt surowca uranowego stanowi jedynie około 35% kosztu produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. W reaktorze
paliwo zamknięte jest wewnątrz elementów paliwowych mających najczęściej postać
walcowych, kulistych lub płytkowych prętów. Element paliwowy składa się ze szczelnej
koszulki (stopy cyrkonu, stal nierdzewna – przepuszczają neutrony) oraz z
umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych.
Źródłem energii uzyskiwanej w reaktorze jest energia kinetyczna fragmentów
rozszczepienia i neutronów prędkich. Neutrony te są spowalniane w moderatorze, by
uzyskać neutrony termiczne, które dużo skuteczniej zapoczątkowują nową reakcję.
Moderatorem jest najczęściej grafit, woda lub woda ciężka, ponieważ przekazywanie
energii najbardziej skutecznie zachodzi przy zderzeniach z lekkimi atomami.
Bardzo ważne jest odprowadzanie ciepła z reaktora. Chłodziwem powinna być
substancja mająca mały przekrój na wychwyt neutronów. Stosuje się np. wodę zwykłą
lub ciężką, ciekły sód, hel lub dwutlenek węgla. Przepływ chłodziwa wymuszany jest
specjalnymi pompami.
W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie trzecią część elementów
paliwowych na nowe. Przez rok przechowuje się je w basenie w wodą. Następnie
przenosi się je na składowiska pośrednie. Pręty paliwowe są oddawane obróbce. Część
paliwa jest odzyskiwana, a niebezpieczne produkty są składowane w mogilnikach.
Mogilnikami mogą być np. wyeksploatowane kopalnie, gdzie radioaktywne odpady są
zabezpieczane pod warstwami szkła i betonu.
Źródła:
Jezierski G. „Energia jądrowa wczoraj i dziś”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne
Notatki do wykładu Podstawy Fizyki Technicznej
http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mfj/zal03/sobolewski/praca1.htm