REAKTOR JĄDROWY Reaktory jądrowe są urządzeniami, których

REAKTOR JĄDROWY
Reaktory jądrowe są urządzeniami, których działanie jest oparte na reakcji rozszczepienia jąder
atomowych izotopów niektórych pierwiastków.
Zasady działania-Atomy każdego pierwiastka zbudowane są z jader atomowych oraz elektronów
znajdujących się na powłokach elektronowych. Każde jądro atomowe zbudowane jest z neutronów i
protonów określanych wspólną nazwą nukleony. Nukleony powiązane są w jądrach siłami jądrowymi.
Siły jądrowe są siłami krótkiego zasięgu i nie zależą od ładunku cząstki.
Neutrony i protony niewiele różnią się pod względem masy. Zasadnicza różnica między nimi polega
na tym, że protony obdarzone są ładunkami dodatnimi natomiast neutrony są elektrycznie obojętne.
Atomy tego samego pierwiastka, które w jądrach mają taką samą liczbę protonów, a różnią się liczbą
neutronów nazywa się izotopami. Suma protonów i neutronów w jądrze atomowym to liczba
masowa, natomiast liczba protonów to liczba atomowa.
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 nznaczne
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(garnulat) 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.
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 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).
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