Reakcji łańcuchowej rozszczepienia zawsze towarzyszy uwolnienie ogromnej energii. Praktyczne wykorzystanie tej energii jest głównym zadaniem reaktora jądrowego.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana lub kontrolowana reakcja rozszczepienia jądrowego.

Ze względu na zasadę działania reaktory jądrowe dzielą się na dwie grupy: reaktory na neutrony termiczne i reaktory na neutrony szybkie.

Jak działa reaktor jądrowy z neutronami termicznymi?

Typowy reaktor jądrowy ma:

• Rdzeń i moderator;
• Odbłyśnik neutronów;
• chłodziwo;
• System kontroli reakcji łańcuchowej, ochrona awaryjna;
• System kontroli i ochrony radiologicznej;
• System zdalnego sterowania.

1 - strefa aktywna; 2 - reflektor; 3 - ochrona; 4 - drążki sterujące; 5 - płyn chłodzący; 6 - pompy; 7 - wymiennik ciepła; 8 - turbina; 9 - generator; 10 - kondensator.

Rdzeń i moderator

To w rdzeniu zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia.

Większość reaktorów jądrowych wykorzystuje ciężkie izotopy uranu-235. Ale w naturalnych próbkach rudy uranowej jej zawartość wynosi tylko 0,72%. Stężenie to nie jest wystarczające, aby doszło do reakcji łańcuchowej. Dlatego rudę wzbogaca się sztucznie, podnosząc zawartość tego izotopu do 3%.

Materiał rozszczepialny, czyli paliwo jądrowe, w postaci tabletek umieszcza się w hermetycznie zamkniętych prętach, zwanych prętami paliwowymi (elementami paliwowymi). Przenikają całą wypełnioną strefę czynną moderator neutrony.

Dlaczego moderator neutronów jest potrzebny w reaktorze jądrowym?

Faktem jest, że neutrony powstające po rozpadzie jąder uranu-235 mają bardzo dużą prędkość. Prawdopodobieństwo ich wychwycenia przez inne jądra uranu jest setki razy mniejsze niż prawdopodobieństwo wychwycenia wolnych neutronów. A jeśli ich prędkość nie zostanie zmniejszona, reakcja jądrowa może z czasem wygasnąć. Moderator rozwiązuje problem zmniejszania prędkości neutronów. Jeśli na drodze szybkich neutronów zostanie umieszczona woda lub grafit, można sztucznie zmniejszyć ich prędkość, a tym samym zwiększyć liczbę cząstek wychwytywanych przez atomy. Jednocześnie reakcja łańcuchowa w reaktorze będzie wymagać mniej paliwa jądrowego.

W wyniku procesu spowolnienia, neutrony termiczne, którego prędkość jest prawie równa prędkości ruchu termicznego cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej.

Woda, ciężka woda (tlenek deuteru D 2 O), beryl i grafit są stosowane jako moderatory w reaktorach jądrowych. Ale najlepszym moderatorem jest ciężka woda D2O.

Odbłyśnik neutronów

Aby uniknąć wycieku neutronów do środowiska, rdzeń reaktora jądrowego jest otoczony reflektor neutronów. Materiał używany do odbłyśników jest często taki sam jak w moderatorach.

Płyn chłodzący

Ciepło wytworzone podczas reakcji jądrowej jest usuwane za pomocą chłodziwa. Jako chłodziwo w reaktorach jądrowych często wykorzystuje się zwykłą naturalną wodę, uprzednio oczyszczoną z różnych zanieczyszczeń i gazów. Ale ponieważ woda wrze już w temperaturze 100 0 C i pod ciśnieniem 1 atm, w celu zwiększenia temperatury wrzenia zwiększa się ciśnienie w pierwotnym obwodzie chłodziwa. Woda z obiegu pierwotnego, krążąca przez rdzeń reaktora, przemywa pręty paliwowe, nagrzewając się do temperatury 320 0 C. Następnie wewnątrz wymiennika ciepła oddaje ciepło wodzie obiegu wtórnego. Wymiana odbywa się poprzez rurki wymiany ciepła, dzięki czemu nie ma kontaktu z wodą obiegu wtórnego. Zapobiega to przedostawaniu się substancji radioaktywnych do drugiego obwodu wymiennika ciepła.

A potem wszystko dzieje się jak w elektrowni cieplnej. Woda w drugim obwodzie zamienia się w parę. Para obraca turbinę, która napędza generator elektryczny wytwarzający prąd elektryczny.

W reaktorach ciężkowodnych chłodziwem jest ciężka woda D2O, a w reaktorach z chłodziwami z ciekłego metalu jest to stopiony metal.

System kontroli reakcji łańcuchowej

Aktualny stan reaktora charakteryzuje się wielkością tzw reaktywność.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n ja / n i -1 ,

Gdzie k – współczynnik mnożenia neutronów,

n ja - liczba neutronów następnej generacji w reakcji rozszczepienia jądrowego,

n i -1 , - liczba neutronów poprzedniej generacji w tej samej reakcji.

Jeśli k 1 , reakcja łańcuchowa rośnie, system nazywa się nadkrytyczny y. Jeśli k< 1 , reakcja łańcuchowa wygasa i system nazywa się podkrytyczny. Na k = 1 reaktor jest w środku stabilny stan krytyczny, ponieważ liczba jąder rozszczepialnych nie zmienia się. W tym stanie reaktywność ρ = 0 .

Stan krytyczny reaktora (wymagany współczynnik mnożenia neutronów w reaktorze jądrowym) jest utrzymywany poprzez ruch drążki sterujące. Materiał, z którego są wykonane, zawiera substancje pochłaniające neutrony. Wysuwając lub wpychając te pręty do rdzenia, kontrolowana jest szybkość reakcji rozszczepienia jądrowego.

Układ sterowania zapewnia kontrolę nad reaktorem podczas jego rozruchu, planowego wyłączenia, pracy na mocy, a także awaryjne zabezpieczenie reaktora jądrowego. Osiąga się to poprzez zmianę położenia drążków sterujących.

Jeżeli którykolwiek z parametrów reaktora (temperatura, ciśnienie, tempo narastania mocy, zużycie paliwa itp.) odbiega od normy, a to może doprowadzić do wypadku, należy zastosować specjalne pręty awaryjne i reakcja jądrowa szybko ustaje.

Należy upewnić się, że parametry reaktora są zgodne z normami systemy kontroli i ochrony przed promieniowaniem.

Aby chronić środowisko przed promieniowaniem radioaktywnym, reaktor umieszczony jest w grubej betonowej obudowie.

Systemy zdalnego sterowania

Wszystkie sygnały o stanie reaktora jądrowego (temperatura płynu chłodzącego, poziom promieniowania w różnych częściach reaktora itp.) przesyłane są do centrali reaktora i przetwarzane w systemach komputerowych. Operator otrzymuje wszystkie niezbędne informacje i zalecenia dotyczące eliminacji niektórych odchyleń.

Szybkie reaktory

Różnica między reaktorami tego typu a termicznymi reaktorami neutronowymi polega na tym, że szybkie neutrony powstające po rozpadzie uranu-235 nie są spowalniane, lecz są przez uran-238 absorbowane, a następnie przekształcane w pluton-239. Dlatego reaktory na neutronach szybkich służą do produkcji plutonu-239 do celów wojskowych i energii cieplnej, którą generatory w elektrowniach jądrowych przekształcają w energię elektryczną.

Paliwem jądrowym w takich reaktorach jest uran-238, a surowcem jest uran-235.

W naturalnej rudzie uranu 99,2745% stanowi uran-238. Po absorpcji neutron termiczny nie ulega rozszczepieniu, ale staje się izotopem uranu-239.

Jakiś czas po rozpadzie β uran-239 zamienia się w jądro neptunu-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 mi

Po drugim rozpadzie β powstaje rozszczepialny pluton-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 mi

I wreszcie, po rozpadzie alfa jądra plutonu-239, otrzymuje się uran-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Pręty paliwowe z surowcami (wzbogacony uran-235) znajdują się w rdzeniu reaktora. Strefa ta otoczona jest strefą rozrodu, która składa się z prętów paliwowych z paliwem (zubożony uran-238). Szybkie neutrony emitowane z rdzenia po rozpadzie uranu-235 są wychwytywane przez jądra uranu-238. W rezultacie powstaje pluton-239. W ten sposób w reaktorach na neutrony prędkie produkowane jest nowe paliwo jądrowe.

Ciekłe metale lub ich mieszaniny stosuje się jako chłodziwa w reaktorach jądrowych na neutrony szybkie.

Klasyfikacja i zastosowanie reaktorów jądrowych

Reaktory jądrowe wykorzystywane są głównie w elektrowniach jądrowych. Za ich pomocą wytwarzana jest energia elektryczna i cieplna na skalę przemysłową. Takie reaktory nazywane są energia .

Reaktory jądrowe są szeroko stosowane w układach napędowych nowoczesnych atomowych okrętów podwodnych, statków nawodnych oraz w technologii kosmicznej. Zasilają silniki energią elektryczną i nazywane są reaktory transportowe .

Do badań naukowych z zakresu fizyki jądrowej i chemii radiacyjnej wykorzystuje się strumienie neutronów i kwantów gamma, które uzyskiwane są w rdzeniu reaktory badawcze. Wytwarzana przez nie energia nie przekracza 100 MW i nie jest wykorzystywana do celów przemysłowych.

Moc reaktory eksperymentalne jeszcze mniej. Osiąga wartość zaledwie kilku kW. Reaktory te badają różne wielkości fizyczne, których znaczenie jest ważne przy projektowaniu reakcji jądrowych.

DO reaktory przemysłowe zaliczają się do nich reaktory do produkcji izotopów promieniotwórczych wykorzystywanych w celach medycznych, a także w różnych dziedzinach przemysłu i technologii. Reaktory odsalania wody morskiej są również klasyfikowane jako reaktory przemysłowe.

Wstecz Naprzód

Uwaga! Podglądy slajdów służą wyłącznie celom informacyjnym i mogą nie odzwierciedlać wszystkich funkcji prezentacji. Jeśli jesteś zainteresowany tą pracą, pobierz pełną wersję.

Cele lekcji:

• Edukacyjny: aktualizowanie istniejącej wiedzy; kontynuować tworzenie pojęć: rozszczepienie jąder uranu, jądrowa reakcja łańcuchowa, warunki jej wystąpienia, masa krytyczna; wprowadzić nowe pojęcia: reaktor jądrowy, główne elementy reaktora jądrowego, budowa reaktora jądrowego i zasada jego działania, sterowanie reakcją jądrową, klasyfikacja reaktorów jądrowych i ich zastosowanie;
• Edukacyjny: stale doskonalą umiejętność obserwacji i wyciągania wniosków, a także rozwijają zdolności intelektualne i ciekawość uczniów;
• Edukacyjny: nadal rozwijać podejście do fizyki jako nauki eksperymentalnej; kultywować sumienny stosunek do pracy, dyscyplinę i pozytywne nastawienie do wiedzy.

Typ lekcji: nauka nowego materiału.

Sprzęt: instalacja multimedialna.

Postęp lekcji

1. Moment organizacyjny.

Chłopaki! Dzisiaj na lekcji powtórzymy rozszczepienie jąder uranu, jądrową reakcję łańcuchową, warunki jej wystąpienia, masę krytyczną, dowiemy się, czym jest reaktor jądrowy, główne elementy reaktora jądrowego, budowa reaktora jądrowego i zasada jego działania, sterowanie reakcją jądrową, klasyfikacja reaktorów jądrowych i ich zastosowanie.

2. Sprawdzenie badanego materiału.

1. Mechanizm rozszczepienia jąder uranu.
2. Opowiedz nam o mechanizmie jądrowej reakcji łańcuchowej.
3. Podaj przykład reakcji rozszczepienia jądra uranu.
4. Co nazywa się masą krytyczną?
5. Jak zachodzi reakcja łańcuchowa w uranie, jeśli jego masa jest mniejsza niż krytyczna lub większa niż krytyczna?
6. Jaka jest masa krytyczna uranu 295. Czy można zmniejszyć masę krytyczną?
7. W jaki sposób można zmienić przebieg jądrowej reakcji łańcuchowej?
8. Jaki jest cel spowalniania szybkich neutronów?
9. Jakie substancje są stosowane jako moderatory?
10. Dzięki jakim czynnikom można zwiększyć liczbę wolnych neutronów w kawałku uranu, zapewniając w ten sposób możliwość zajścia w nim reakcji?

3. Wyjaśnienie nowego materiału.

Chłopaki, odpowiedzcie na pytanie: Jaka jest główna część każdej elektrowni jądrowej? ( reaktor jądrowy)

Dobrze zrobiony. Zatem, chłopaki, przyjrzyjmy się teraz temu problemowi bardziej szczegółowo.

Informacje historyczne.

Igor Wasiljewicz Kurczatow to wybitny radziecki fizyk, akademik, założyciel i pierwszy dyrektor Instytutu Energii Atomowej w latach 1943–1960, główny dyrektor naukowy problemu atomowego w ZSRR, jeden z twórców wykorzystania energii jądrowej do celów pokojowych . Akademik Akademii Nauk ZSRR (1943). Pierwsza radziecka bomba atomowa została przetestowana w 1949 roku. Cztery lata później pomyślnie przetestowano pierwszą na świecie bombę wodorową. A w 1949 r. Igor Wasiljewicz Kurczatow rozpoczął pracę nad projektem elektrowni jądrowej. Elektrownia jądrowa jest zwiastunem pokojowego wykorzystania energii atomowej. Projekt został pomyślnie ukończony: 27 lipca 1954 roku nasza elektrownia jądrowa stała się pierwszą na świecie! Kurczatow cieszył się i bawił jak dziecko!

Definicja reaktora jądrowego.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym przeprowadza się i utrzymuje kontrolowaną reakcję łańcuchową rozszczepienia niektórych ciężkich jąder.

Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w 1942 roku w USA pod kierownictwem E. Fermiego. W naszym kraju pierwszy reaktor został zbudowany w 1946 roku pod przewodnictwem I.V. Kurchatova.

Główne elementy reaktora jądrowego to:

• paliwo nuklearne (uran 235, uran 238, pluton 239);
• moderator neutronów (ciężka woda, grafit itp.);
• chłodziwo do usuwania energii powstałej podczas pracy reaktora (woda, ciekły sód itp.);
• Pręty kontrolne (bor, kadm) - silnie absorbujące neutrony
• Powłoka ochronna blokująca promieniowanie (beton z wypełniaczem żelaznym).

Zasada działania reaktor jądrowy

Paliwo jądrowe zlokalizowane jest w rdzeniu w postaci pionowych prętów zwanych elementami paliwowymi (elementami paliwowymi). Pręty paliwowe służą do regulacji mocy reaktora.

Masa każdego pręta paliwowego jest znacznie mniejsza od masy krytycznej, zatem w jednym pręcie nie może zajść reakcja łańcuchowa. Rozpoczyna się po zanurzeniu wszystkich prętów uranowych w rdzeniu.

Rdzeń jest otoczony warstwą substancji odbijającej neutrony (odbłyśnikiem) oraz ochronną powłoką z betonu, która wychwytuje neutrony i inne cząstki.

Odprowadzanie ciepła z ogniw paliwowych. Czynnik chłodzący, woda, myje pręt, podgrzewany pod wysokim ciśnieniem do temperatury 300°C i dostaje się do wymienników ciepła.

Rolą wymiennika ciepła jest to, że woda podgrzana do 300°C oddaje ciepło zwykłej wodzie i zamienia się w parę.

Kontrola reakcji jądrowej

Sterowanie reaktorem odbywa się za pomocą prętów zawierających kadm lub bor. Przy wysunięciu prętów z rdzenia reaktora K > 1, a przy całkowitym wysunięciu - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor wolnych neutronów.

Najefektywniejsze rozszczepienie jąder uranu-235 następuje pod wpływem wolnych neutronów. Takie reaktory nazywane są reaktorami wolnych neutronów. Neutrony wtórne powstałe w reakcji rozszczepienia są szybkie. Aby ich późniejsze oddziaływanie z jądrami uranu-235 w reakcji łańcuchowej było jak najbardziej efektywne, spowalnia się je poprzez wprowadzenie do rdzenia moderatora – substancji zmniejszającej energię kinetyczną neutronów.

Reaktor na neutrony szybkie.

Reaktory na neutrony szybkie nie mogą działać na uranie naturalnym. Reakcję można prowadzić jedynie we wzbogaconej mieszaninie zawierającej co najmniej 15% izotopu uranu. Zaletą reaktorów na prędkie neutrony jest to, że podczas ich działania powstają znaczne ilości plutonu, który można następnie wykorzystać jako paliwo jądrowe.

Reaktory jednorodne i heterogeniczne.

Reaktory jądrowe, w zależności od względnego rozmieszczenia paliwa i moderatora, dzielą się na jednorodne i niejednorodne. W jednorodnym reaktorze rdzeń stanowi jednorodną masę paliwa, moderatora i chłodziwa w postaci roztworu, mieszaniny lub stopu. Reaktor, w którym paliwo w postaci bloków lub zespołów paliwowych umieszcza się w moderatorze, tworząc w nim regularną siatkę geometryczną, nazywa się heterogenicznym.

Przemiana energii wewnętrznej jąder atomowych na energię elektryczną.

Reaktor jądrowy jest głównym elementem elektrowni jądrowej (NPP), który przetwarza termiczną energię jądrową na energię elektryczną. Konwersja energii odbywa się według następującego schematu:

• energia wewnętrzna jąder uranu -
• energia kinetyczna neutronów i fragmentów jądrowych -
• energia wewnętrzna wody -
• energia wewnętrzna pary -
• energia kinetyczna pary -
• energia kinetyczna wirnika turbiny i wirnika generatora -
• energia elektryczna.

Zastosowanie reaktorów jądrowych.

W zależności od przeznaczenia reaktory jądrowe mogą być reaktorami energetycznymi, konwertorowymi i reprodukcyjnymi, badawczymi i wielofunkcyjnymi, transportowymi i przemysłowymi.

Reaktory jądrowe służą do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych, elektrowniach okrętowych, elektrociepłowniach jądrowych i ciepłowniach jądrowych.

Reaktory przeznaczone do produkcji wtórnego paliwa jądrowego z naturalnego uranu i toru nazywane są konwertorami lub generatorami. W reaktorze konwertorowym wtórne paliwo jądrowe wytwarza mniej niż początkowo zużyto.

W reaktorze powielającym prowadzona jest rozszerzona reprodukcja paliwa jądrowego, tj. okazuje się, że więcej niż wydano.

Reaktory badawcze służą do badania procesów oddziaływania neutronów z materią, badania zachowania materiałów reaktora w intensywnych polach promieniowania neutronowego i gamma, badań radiochemicznych i biologicznych, wytwarzania izotopów oraz badań eksperymentalnych z zakresu fizyki reaktorów jądrowych.

Reaktory mają różną moc, tryb pracy stacjonarny lub pulsacyjny. Reaktory wielofunkcyjne to takie, które służą kilku celom, takim jak wytwarzanie energii i produkcja paliwa jądrowego.

Katastrofy ekologiczne w elektrowniach jądrowych

• 1957 - wypadek w Wielkiej Brytanii
• 1966 – częściowe stopienie rdzenia po awarii chłodzenia reaktora pod Detroit.
• 1971 - do rzeki US przedostało się dużo zanieczyszczonej wody
• 1979 – największy wypadek w USA
• 1982 – uwolnienie do atmosfery radioaktywnej pary
• 1983 - straszny wypadek w Kanadzie (przez 20 minut wypływała radioaktywna woda - tona na minutę)
• 1986 – wypadek w Wielkiej Brytanii
• 1986 – wypadek w Niemczech
• 1986 – Elektrownia Jądrowa w Czarnobylu
• 1988 – pożar w elektrowni atomowej w Japonii

Nowoczesne elektrownie jądrowe są wyposażone w komputery osobiste, ale wcześniej, nawet po awarii, reaktory nadal działały, ponieważ nie było systemu automatycznego wyłączania.

4. Mocowanie materiału.

1. Jak nazywa się reaktor jądrowy?
2. Jakie jest paliwo jądrowe w reaktorze?
3. Jaka substancja pełni funkcję moderatora neutronów w reaktorze jądrowym?
4. Jaki jest cel moderatora neutronów?
5. Do czego służą drążki sterujące? Jak się je wykorzystuje?
6. Co stosuje się jako chłodziwo w reaktorach jądrowych?
7. Dlaczego konieczne jest, aby masa każdego pręta uranowego była mniejsza niż masa krytyczna?

5. Wykonanie testu.

1. Jakie cząstki biorą udział w rozszczepieniu jąder uranu?
   A. protony;
   B. neutrony;
   B. elektrony;
   G. jądra helu.
2. Jaka masa uranu jest krytyczna?
   A. największy, przy którym możliwa jest reakcja łańcuchowa;
   B. dowolna masa;
   B. najmniejszy, przy którym możliwa jest reakcja łańcuchowa;
   D. masa, przy której reakcja się zatrzyma.
3. Jaka jest przybliżona masa krytyczna uranu 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Które z poniższych substancji można stosować w reaktorach jądrowych jako moderatory neutronów?
   A. grafit;
   B. kadm;
   B. ciężka woda;
   G. bor.
5. Aby w elektrowni jądrowej zaszła reakcja łańcuchowa, mnożnik neutronów musi wynosić:
   A. jest równe 1;
   B. więcej niż 1;
   V. mniej niż 1.
6. Szybkość rozszczepienia jąder ciężkich atomów w reaktorach jądrowych jest regulowana:
   A. w wyniku absorpcji neutronów podczas opuszczania prętów z absorberem;
   B. ze względu na wzrost odprowadzania ciepła wraz ze wzrostem prędkości chłodziwa;
   B. poprzez zwiększenie dostaw energii elektrycznej do odbiorców;
   G. poprzez zmniejszenie masy paliwa jądrowego w rdzeniu podczas usuwania prętów z paliwem.
7. Jakie przemiany energetyczne zachodzą w reaktorze jądrowym?
   A. energia wewnętrzna jąder atomowych zamieniana jest na energię świetlną;
   B. energia wewnętrzna jąder atomowych zamienia się w energię mechaniczną;
   B. energia wewnętrzna jąder atomowych zamieniana jest na energię elektryczną;
   D. żadna z odpowiedzi nie jest prawidłowa.
8. W 1946 roku w Związku Radzieckim zbudowano pierwszy reaktor jądrowy. Kto był liderem tego projektu?
   AS Korolev;
   B. I. Kurczatow;
   V. D. Sacharow;
   G. A. Prochorow.
9. Który sposób uważa Pan za najbardziej akceptowalny w zakresie zwiększania niezawodności elektrowni jądrowych i zapobiegania zanieczyszczeniom środowiska zewnętrznego?
   A. rozwój reaktorów zdolnych do automatycznego chłodzenia rdzenia reaktora niezależnie od woli operatora;
   B. podniesienie poziomu umiejętności obsługi elektrowni jądrowych, poziomu przygotowania zawodowego operatorów elektrowni jądrowych;
   B. rozwój wysokosprawnych technologii demontażu elektrowni jądrowych i przetwarzania odpadów promieniotwórczych;
   D. lokalizacja reaktorów głęboko pod ziemią;
   D. odmowa budowy i eksploatacji elektrowni jądrowej.
10. Jakie źródła zanieczyszczeń środowiska są związane z pracą elektrowni jądrowych?
    A. przemysł uranowy;
    B. reaktory jądrowe różnych typów;
    B. przemysł radiochemiczny;
    D. miejsca przetwarzania i unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych;
    D. wykorzystanie radionuklidów w gospodarce narodowej;
    E. wybuchy nuklearne.

Odpowiedzi: 1B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5A; 6A; 7 V;. 8B; 9 BV; 10 A, B, C, D, E.

6. Podsumowanie lekcji.

Czego nowego nauczyłeś się dzisiaj na zajęciach?

Co ci się podobało na lekcji?

Jakie masz pytania?

DZIĘKUJEMY ZA PRACĘ NA LEKCJI!

Jesteśmy tak przyzwyczajeni do prądu, że nie zastanawiamy się, skąd pochodzi. Zasadniczo produkowany jest w elektrowniach, które wykorzystują do tego różne źródła. Elektrownie mogą być elektrowniami cieplnymi, wiatrowymi, geotermalnymi, słonecznymi, wodnymi i jądrowymi. To właśnie ten ostatni budzi najwięcej kontrowersji. Dyskutują o ich konieczności i niezawodności.

Pod względem produktywności energetyka jądrowa jest dziś jedną z najbardziej efektywnych, a jej udział w światowej produkcji energii elektrycznej jest dość znaczny, bo przekracza jedną czwartą.

Jak działa elektrownia jądrowa i jak wytwarza energię? Głównym elementem elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy. Zachodzi w nim jądrowa reakcja łańcuchowa, w wyniku której wydziela się ciepło. Reakcja ta jest kontrolowana, dlatego możemy zużywać energię stopniowo, zamiast doprowadzić do eksplozji nuklearnej.

Podstawowe elementy reaktora jądrowego

• Paliwo jądrowe: uran wzbogacony, izotopy uranu i plutonu. Najczęściej stosowany jest uran 235;
• Płyn chłodzący do usuwania energii powstałej podczas pracy reaktora: woda, ciekły sód itp.;
• Pręty kontrolne;
• Moderator neutronów;
• Osłona chroniąca przed promieniowaniem.

Film przedstawiający działanie reaktora jądrowego

Jak działa reaktor jądrowy?

W rdzeniu reaktora znajdują się elementy paliwowe (elementy paliwowe) - paliwo jądrowe. Składane są w kasety zawierające po kilkadziesiąt prętów paliwowych. Chłodziwo przepływa kanałami przez każdą kasetę. Pręty paliwowe regulują moc reaktora. Reakcja jądrowa jest możliwa tylko przy określonej (krytycznej) masie pręta paliwowego. Masa każdego pręta z osobna jest poniżej wartości krytycznej. Reakcja rozpoczyna się, gdy wszystkie pręty znajdą się w strefie aktywnej. Wkładając i wyjmując pręty paliwowe, reakcję można kontrolować.

Zatem po przekroczeniu masy krytycznej radioaktywne elementy paliwowe emitują neutrony, które zderzają się z atomami. Rezultatem jest niestabilny izotop, który natychmiast się rozpada, uwalniając energię w postaci promieniowania gamma i ciepła. Cząstki zderzające się przekazują sobie nawzajem energię kinetyczną, a liczba rozpadów rośnie wykładniczo. To jest reakcja łańcuchowa – zasada działania reaktora jądrowego. Bez kontroli następuje to z szybkością błyskawicy, co prowadzi do eksplozji. Ale w reaktorze jądrowym proces jest pod kontrolą.

W ten sposób w rdzeniu uwalniana jest energia cieplna, która przekazywana jest wodzie płuczącej tę strefę (obieg pierwotny). Tutaj temperatura wody wynosi 250-300 stopni. Następnie woda przekazuje ciepło do drugiego obwodu, a następnie do łopatek turbiny, które wytwarzają energię. Konwersję energii jądrowej na energię elektryczną można przedstawić schematycznie:

1. Energia wewnętrzna jądra uranu,
2. Energia kinetyczna fragmentów rozpadających się jąder i uwolnionych neutronów,
3. Energia wewnętrzna wody i pary,
4. Energia kinetyczna wody i pary,
5. Energia kinetyczna wirników turbin i generatorów,
6. Energia elektryczna.

Rdzeń reaktora składa się z setek kaset połączonych metalową osłoną. Powłoka ta pełni także rolę reflektora neutronów. Pomiędzy kasety umieszczone są pręty sterujące do regulacji szybkości reakcji oraz pręty zabezpieczenia awaryjnego reaktora. Następnie wokół odbłyśnika instalowana jest izolacja termiczna. Na izolacji termicznej znajduje się betonowa powłoka ochronna, która wychwytuje substancje radioaktywne i nie pozwala im przedostać się do otaczającej przestrzeni.

Gdzie wykorzystuje się reaktory jądrowe?

• Reaktory jądrowe stosowane są w elektrowniach jądrowych, w instalacjach elektrycznych statków oraz w ciepłowniach jądrowych.
• Do produkcji wtórnego paliwa jądrowego wykorzystywane są reaktory konwektorowe i powielające.
• Reaktory badawcze są potrzebne do badań radiochemicznych i biologicznych oraz produkcji izotopów.

Pomimo wszystkich kontrowersji i kontrowersji związanych z energią jądrową, elektrownie jądrowe są nadal budowane i eksploatowane. Jednym z powodów jest efektywność kosztowa. Prosty przykład: 40 zbiorników oleju opałowego lub 60 wagonów węgla wytwarza tyle samo energii, co 30 kilogramów uranu.

Wysłać

Co to jest reaktor jądrowy?

Reaktor jądrowy, dawniej znany jako „kocioł jądrowy”, to urządzenie służące do inicjowania i kontrolowania długotrwałej jądrowej reakcji łańcuchowej. Reaktory jądrowe są wykorzystywane w elektrowniach jądrowych do produkcji energii elektrycznej i napędu statków. Ciepło powstałe w wyniku rozszczepienia jądrowego przekazywane jest do płynu roboczego (wody lub gazu), który przechodzi przez turbiny parowe. Woda lub gaz wprawia w ruch łopaty statku lub obraca generatory elektryczne. Para powstająca w wyniku reakcji jądrowej może być w zasadzie wykorzystywana w przemyśle ciepłowniczym lub w ciepłownictwie. Niektóre reaktory służą do produkcji izotopów wykorzystywanych do celów medycznych i przemysłowych lub do produkcji plutonu do celów wojskowych. Niektóre z nich służą wyłącznie celom badawczym. Obecnie w około 30 krajach na całym świecie działa około 450 reaktorów jądrowych wytwarzających energię elektryczną.

Zasada działania reaktora jądrowego

Podobnie jak konwencjonalne elektrownie wytwarzają energię elektryczną, wykorzystując energię cieplną uwalnianą podczas spalania paliw kopalnych, reaktory jądrowe przekształcają energię uwalnianą w wyniku kontrolowanego rozszczepienia jądrowego w energię cieplną w celu dalszej konwersji na formy mechaniczne lub elektryczne.

Proces rozszczepienia jądrowego

Kiedy znaczna liczba rozpadających się jąder atomowych (takich jak uran-235 lub pluton-239) pochłonie neutron, może nastąpić rozszczepienie jądra. Ciężkie jądro rozpada się na dwa lub więcej lekkich jąder (produktów rozszczepienia), uwalniając energię kinetyczną, promieniowanie gamma i wolne neutrony. Niektóre z tych neutronów mogą następnie zostać zaabsorbowane przez inne atomy rozszczepialne i spowodować dalsze rozszczepienie, w wyniku którego zostanie uwolniona jeszcze większa liczba neutronów i tak dalej. Proces ten nazywany jest jądrową reakcją łańcuchową.

Aby kontrolować taką jądrową reakcję łańcuchową, absorbery i moderatory neutronów mogą zmieniać proporcję neutronów biorących udział w rozszczepieniu większej liczby jąder. Reaktory jądrowe są sterowane ręcznie lub automatycznie, aby móc zatrzymać reakcję rozpadu w przypadku wykrycia niebezpiecznych sytuacji.

Powszechnie stosowanymi regulatorami strumienia neutronów są zwykła („lekka”) woda (74,8% reaktorów na świecie), stały grafit (20% reaktorów) i „ciężka” woda (5% reaktorów). W niektórych eksperymentalnych typach reaktorów proponuje się stosowanie berylu i węglowodorów.

Wydzielanie ciepła w reaktorze jądrowym

Obszar roboczy reaktora generuje ciepło na kilka sposobów:

• Energia kinetyczna produktów rozszczepienia zamienia się w energię cieplną, gdy jądra zderzają się z sąsiadującymi atomami.
• Reaktor pochłania część promieniowania gamma powstałego podczas rozszczepienia i przekształca jego energię w ciepło.
• Ciepło powstaje w wyniku rozpadu radioaktywnego produktów rozszczepienia i materiałów odsłoniętych podczas absorpcji neutronów. To źródło ciepła pozostanie niezmienione przez pewien czas, nawet po wyłączeniu reaktora.

Podczas reakcji jądrowych kilogram uranu-235 (U-235) uwalnia około trzy miliony razy więcej energii niż kilogram węgla spalanego konwencjonalnie (7,2 × 1013 dżuli na kilogram uranu-235 w porównaniu do 2,4 × 107 dżuli na kilogram węgla) ,

Układ chłodzenia reaktora jądrowego

Czynnik chłodzący reaktora jądrowego — zwykle woda, ale czasami gaz, ciekły metal (taki jak ciekły sód) lub stopiona sól — krąży wokół rdzenia reaktora, pochłaniając wytworzone ciepło. Ciepło jest usuwane z reaktora, a następnie wykorzystywane do wytwarzania pary. Większość reaktorów wykorzystuje układ chłodzenia fizycznie odizolowany od wrzącej wody i wytwarzający parę wykorzystywaną do turbin, podobnie jak ciśnieniowy reaktor wodny. Jednakże w niektórych reaktorach woda do turbin parowych wrze bezpośrednio w rdzeniu reaktora; na przykład w ciśnieniowym reaktorze wodnym.

Monitorowanie strumienia neutronów w reaktorze

Moc wyjściową reaktora reguluje się poprzez kontrolowanie liczby neutronów zdolnych do wywołania większej liczby rozszczepień.

Do pochłaniania neutronów służą pręty kontrolne wykonane z „trucizny neutronowej”. Im więcej neutronów zostanie pochłoniętych przez pręt sterujący, tym mniej neutronów może spowodować dalsze rozszczepienie. Zatem zanurzenie prętów absorpcyjnych głęboko w reaktorze zmniejsza jego moc wyjściową i odwrotnie, wyjęcie pręta sterującego ją zwiększa.

Na pierwszym poziomie sterowania we wszystkich reaktorach jądrowych ważnym procesem fizycznym jest proces opóźnionej emisji neutronów z szeregu izotopów rozszczepienia wzbogaconych w neutrony. Te opóźnione neutrony stanowią około 0,65% całkowitej liczby neutronów wytwarzanych podczas rozszczepienia, a reszta (tak zwane „szybkie neutrony”) jest wytwarzana bezpośrednio podczas rozszczepienia. Produkty rozszczepienia tworzące opóźnione neutrony mają okresy półtrwania w zakresie od milisekund do kilku minut, dlatego dokładne określenie, kiedy reaktor osiągnie punkt krytyczny, zajmuje dużo czasu. Utrzymanie reaktora w trybie reaktywności łańcuchowej, w którym do osiągnięcia masy krytycznej potrzebne są opóźnione neutrony, osiąga się za pomocą urządzeń mechanicznych lub sterowania przez człowieka w celu kontrolowania reakcji łańcuchowej w „czasie rzeczywistym”; W przeciwnym razie czas pomiędzy osiągnięciem stanu krytycznego a stopieniem rdzenia reaktora jądrowego w wyniku wykładniczego wzrostu napięcia podczas normalnej jądrowej reakcji łańcuchowej będzie zbyt krótki, aby można było interweniować. Ten ostatni etap, w którym opóźnione neutrony nie są już potrzebne do utrzymania krytyczności, nazywany jest natychmiastową krytycznością neutronów. Istnieje skala opisująca krytyczność w formie liczbowej, w której krytyczność początkowa jest oznaczona jako „zero dolarów”, krytyczność szybka jako „jeden dolar”, pozostałe punkty procesu są interpolowane w „centach”.

W niektórych reaktorach chłodziwo pełni także funkcję moderatora neutronów. Moderator zwiększa moc reaktora, powodując, że szybkie neutrony uwalniane podczas rozszczepienia tracą energię i stają się neutronami termicznymi. Neutrony termiczne częściej niż neutrony szybkie powodują rozszczepienie. Jeśli chłodziwo jest również moderatorem neutronów, wówczas zmiany temperatury mogą wpływać na gęstość chłodziwa/moderatora, a tym samym na zmianę mocy wyjściowej reaktora. Im wyższa temperatura płynu chłodzącego, tym będzie on mniej gęsty i dlatego opóźniacz będzie mniej skuteczny.

W innych typach reaktorów chłodziwo działa jak „trucizna neutronowa”, pochłaniając neutrony w taki sam sposób, jak pręty sterujące. W tych reaktorach moc można zwiększyć poprzez podgrzanie chłodziwa, dzięki czemu staje się mniej gęsty. Reaktory jądrowe zazwyczaj są wyposażone w automatyczne i ręczne systemy wyłączania reaktora w celu wyłączenia awaryjnego. Systemy te umieszczają w reaktorze duże ilości „trucizny neutronowej” (często boru w postaci kwasu borowego) w celu zatrzymania procesu rozszczepienia w przypadku wykrycia lub podejrzenia niebezpiecznych warunków.

Większość typów reaktorów jest wrażliwa na proces znany jako „wgłębienie ksenonowe” lub „wgłębienie jodu”. Powszechnie występujący produkt rozpadu ksenonu-135, powstały w wyniku reakcji rozszczepienia, pełni rolę pochłaniacza neutronów, który ma tendencję do wyłączania reaktora. Nagromadzenie ksenonu-135 można kontrolować, utrzymując wystarczająco wysoki poziom mocy, aby go zniszczyć poprzez absorpcję neutronów tak szybko, jak powstają. Rozszczepienie powoduje również powstanie jodu-135, który z kolei rozpada się (z okresem półtrwania wynoszącym 6,57 godziny), tworząc ksenon-135. Po wyłączeniu reaktora jod-135 nadal rozkłada się, tworząc ksenon-135, co utrudnia ponowne uruchomienie reaktora w ciągu jednego lub dwóch dni, ponieważ ksenon-135 rozpada się, tworząc cez-135, który nie jest pochłaniaczem neutronów jak ksenon -135.135, z okresem półtrwania 9,2 godziny. Ten tymczasowy stan to „dziura jodowa”. Jeśli reaktor ma wystarczającą dodatkową moc, można go ponownie uruchomić. Im więcej ksenonu-135 zamienia się w ksenon-136, który w mniejszym stopniu pochłania neutrony, i w ciągu kilku godzin reaktor przechodzi tak zwany „etap wypalania ksenonu”. Dodatkowo do reaktora należy włożyć pręty sterujące, aby skompensować absorpcję neutronów w celu zastąpienia utraconego ksenonu-135. Niezastosowanie się do tej procedury było główną przyczyną awarii w Czarnobylu.

Reaktory stosowane w pokładowych elektrowniach jądrowych (zwłaszcza w atomowych łodziach podwodnych) często nie mogą pracować w sposób ciągły w celu wytwarzania energii w taki sam sposób, jak reaktory lądowe. Ponadto takie elektrownie muszą mieć długi okres pracy bez zmiany paliwa. Z tego powodu w wielu konstrukcjach wykorzystuje się wysoko wzbogacony uran, ale pręty paliwowe zawierają palny pochłaniacz neutronów. Umożliwia to zaprojektowanie reaktora z nadmiarem materiału rozszczepialnego, który jest stosunkowo bezpieczny na początku wypalania cyklu paliwowego reaktora ze względu na obecność materiału pochłaniającego neutrony, który następnie jest zastępowany konwencjonalnym materiałem o długiej żywotności pochłaniacze neutronów (trwalsze niż ksenon-135), które stopniowo gromadzą się przez cały okres eksploatacji paliwa.

Jak wytwarzana jest energia elektryczna?

Energia wytwarzana podczas rozszczepienia generuje ciepło, którego część można przekształcić w energię użyteczną. Powszechną metodą wykorzystania tej energii cieplnej jest wykorzystanie jej do zagotowania wody i wytworzenia pary pod ciśnieniem, która z kolei napędza turbinę parową, która obraca alternator i wytwarza energię elektryczną.

Historia pierwszych reaktorów

Neutrony odkryto w 1932 r. Schemat reakcji łańcuchowej wywoływanej reakcjami jądrowymi w wyniku narażenia na neutrony został po raz pierwszy wdrożony przez węgierskiego naukowca Leo Sillarda w 1933 r. O patent na swój prosty pomysł na reaktor złożył już podczas kolejnego roku pracy w Admiralicji w Londynie. Pomysł Szilarda nie uwzględniał jednak teorii rozszczepienia jądrowego jako źródła neutronów, gdyż proces ten nie został jeszcze odkryty. Pomysły Szilarda dotyczące reaktorów jądrowych wykorzystujących reakcje łańcuchowe za pośrednictwem neutronów w lekkich pierwiastkach okazały się niewykonalne.

Impulsem do stworzenia nowego typu reaktora wykorzystującego uran było odkrycie Lise Meitner, Fritza Strassmanna i Otto Hahna w 1938 r., którzy „bombardowali” uran neutronami (wykorzystując reakcję rozpadu alfa berylu, „działo neutronowe”) w celu wytworzenia bar, który według nich powstał w wyniku rozpadu jąder uranu. Późniejsze badania przeprowadzone na początku 1939 r. (Szilard i Fermi) wykazały, że podczas rozszczepienia atomu powstają także pewne neutrony, umożliwiając reakcję łańcuchową, którą Szilard przewidział sześć lat wcześniej.

2 sierpnia 1939 roku Albert Einstein podpisał list Szilarda do prezydenta Franklina D. Roosevelta, w którym stwierdzono, że odkrycie rozszczepienia uranu może doprowadzić do powstania „niezwykle potężnych bomb nowego typu”. Dało to impuls do badań nad reaktorami i rozpadem radioaktywnym. Szilard i Einstein znali się dobrze i pracowali razem przez wiele lat, ale Einstein nigdy nie myślał o takiej możliwości wykorzystania energii jądrowej, dopóki Szilard nie poinformował go na początku jego starań o napisanie listu do Einsteina-Szilarda, aby ostrzec rząd USA,

Wkrótce potem, w 1939 roku, hitlerowskie Niemcy zaatakowały Polskę, rozpoczynając II wojnę światową w Europie. Stany Zjednoczone nie były jeszcze oficjalnie w stanie wojny, ale w październiku, kiedy dostarczono list Einsteina-Szilarda, Roosevelt zauważył, że celem badania było upewnienie się, że „naziści nas nie wysadzą w powietrze”. Amerykański projekt nuklearny rozpoczął się, choć z pewnym opóźnieniem, ze względu na utrzymujący się sceptycyzm (szczególnie ze strony Fermiego) oraz niewielką liczbę urzędników rządowych, którzy początkowo nadzorowali projekt.

W następnym roku rząd USA otrzymał z Wielkiej Brytanii Memorandum Frischa-Peierlsa, w którym stwierdzono, że ilość uranu potrzebna do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej jest znacznie mniejsza niż wcześniej sądzono. Memorandum powstało przy udziale Komitetu Maud, który pracował w Wielkiej Brytanii nad projektem bomby atomowej, znanej później pod kryptonimem „Tube Alloys”, a później włączonej do Projektu Manhattan.

Ostatecznie pierwszy sztuczny reaktor jądrowy, nazwany Chicago Woodpile 1, został zbudowany na Uniwersytecie w Chicago przez zespół kierowany przez Enrico Fermiego pod koniec 1942 r. W tym czasie amerykański program atomowy został już przyspieszony w związku z przystąpieniem tego kraju do UE. w wojnę. Chicago Woodpile osiągnął swój punkt krytyczny 2 grudnia 1942 roku o 15:25. Rama reaktora została wykonana z drewna i spajała stos bloków grafitu (stąd nazwa) z zagnieżdżonymi „brykietami” lub „pseudosferami” naturalnego tlenku uranu.

Począwszy od 1943 roku, wkrótce po utworzeniu Chicago Woodpile, armia amerykańska opracowała serię reaktorów jądrowych na potrzeby Projektu Manhattan. Głównym celem największych reaktorów (zlokalizowanych w kompleksie Hanford w stanie Waszyngton) była masowa produkcja plutonu do broni nuklearnej. Fermi i Szilard złożyli wniosek patentowy na reaktory 19 grudnia 1944 r. Jego przyznanie opóźniono o 10 lat ze względu na tajemnicę wojenną.

„World's First” to napis na miejscu reaktora EBR-I, w którym obecnie mieści się muzeum niedaleko Arco w stanie Idaho. Reaktor ten, pierwotnie nazwany Chicago Woodpile 4, został stworzony pod kierunkiem Waltera Sinna dla Narodowego Laboratorium w Oregonie. Ten eksperymentalny reaktor szybkiego powielania był obsługiwany przez Komisję Energii Atomowej Stanów Zjednoczonych. Reaktor wytwarzał 0,8 kW mocy podczas testów 20 grudnia 1951 r. i 100 kW mocy (elektrycznej) następnego dnia, przy mocy projektowej 200 kW (moc elektryczna).

Oprócz wojskowego wykorzystania reaktorów jądrowych istniały powody polityczne, aby kontynuować badania nad energią atomową do celów pokojowych. Prezydent USA Dwight Eisenhower wygłosił słynne przemówienie „Atomy dla pokoju” na Zgromadzeniu Ogólnym ONZ 8 grudnia 1953 r. To dyplomatyczne posunięcie doprowadziło do rozpowszechnienia technologii reaktorów zarówno w USA, jak i na całym świecie.

Pierwszą elektrownią jądrową zbudowaną do celów cywilnych była elektrownia jądrowa AM-1 w Obnińsku, uruchomiona 27 czerwca 1954 roku w Związku Radzieckim. Wyprodukowała około 5 MW energii elektrycznej.

Po drugiej wojnie światowej wojsko amerykańskie poszukiwało innych zastosowań technologii reaktorów jądrowych. Badania prowadzone przez Armię i Siły Powietrzne nie zostały wdrożone; Jednak Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych odniosła sukces, wystrzeliwując atomowy okręt podwodny USS Nautilus (SSN-571) 17 stycznia 1955 r.

Pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa (Calder Hall w Sellafield w Anglii) została otwarta w 1956 roku o początkowej mocy 50 MW (później 200 MW).

Pierwszy przenośny reaktor jądrowy, Alco PM-2A, został wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej (2 MW) dla amerykańskiej bazy wojskowej Camp Century w 1960 roku.

Główne elementy elektrowni jądrowej

Głównymi elementami większości typów elektrowni jądrowych są:

Elementy reaktora jądrowego

• Paliwo jądrowe (rdzeń reaktora jądrowego; moderator neutronów)
• Oryginalne źródło neutronów
• Pochłaniacz neutronów
• Działo neutronowe (zapewnia stałe źródło neutronów w celu ponownego zainicjowania reakcji po wyłączeniu)
• Układ chłodzenia (często moderator neutronów i chłodziwo to to samo, zwykle woda oczyszczona)
• Pręty kontrolne
• Zbiornik reaktora jądrowego (NRP)

Pompa zasilająca wodę do kotła

• Wytwornice pary (nie w reaktorach jądrowych z wrzącą wodą)
• Turbina parowa
• Generator prądu
• Kondensator
• Wieża chłodnicza (nie zawsze wymagana)
• Instalacja przetwarzania odpadów promieniotwórczych (część stacji unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych)
• Miejsce przeładunku paliwa jądrowego
• Basen wypalonego paliwa

System bezpieczeństwa radiacyjnego

• System ochrony Rektora (RPS)
• Awaryjne generatory diesla
• Awaryjny system chłodzenia rdzenia reaktora (ECCS)
• Awaryjny system kontroli cieczy (awaryjny wtrysk boru, tylko w reaktorach jądrowych z wrzącą wodą)
• System dostarczania wody technologicznej odpowiedzialnym odbiorcom (SOTVOP)

Powstrzymanie

• Panel sterowania
• Instalacja awaryjna
• Kompleks szkolenia nuklearnego (z reguły istnieje imitacja panelu sterowania)

Klasyfikacje reaktorów jądrowych

Rodzaje reaktorów jądrowych

Reaktory jądrowe są klasyfikowane na kilka sposobów; Podsumowanie tych metod klasyfikacji przedstawiono poniżej.

Klasyfikacja reaktorów jądrowych ze względu na rodzaj moderatora

Stosowane reaktory termiczne:

• Reaktory grafitowe
  
• Reaktory wodne ciśnieniowe
• Reaktory ciężkowodne(używany w Kanadzie, Indiach, Argentynie, Chinach, Pakistanie, Rumunii i Korei Południowej).
• Reaktory lekkowodne(LVR). Reaktory lekkowodne (najpopularniejszy typ reaktora termicznego) wykorzystują zwykłą wodę do sterowania i chłodzenia reaktorów. Jeśli temperatura wody wzrasta, jej gęstość maleje, spowalniając przepływ neutronów na tyle, że powodują dalsze reakcje łańcuchowe. To ujemne sprzężenie zwrotne stabilizuje szybkość reakcji jądrowej. Reaktory grafitowe i ciężkowodne mają tendencję do nagrzewania się bardziej intensywnie niż reaktory lekkowodne. Dzięki dodatkowemu ogrzewaniu w takich reaktorach można stosować uran naturalny/niewzbogacone paliwo.
• Reaktory oparte na moderatorach pierwiastków lekkich.
• Reaktory moderowane stopioną solą(MSR) wynikają z obecności lekkich pierwiastków, takich jak lit lub beryl, które znajdują się w solach matrycy chłodziwa/paliwa LiF i BEF2.
• Reaktory z chłodnicami ciekłego metalu, gdzie chłodziwo jest mieszaniną ołowiu i bizmutu, można zastosować tlenek BeO jako absorber neutronów.
• Reaktory oparte na moderatorze organicznym(OMR) wykorzystują bifenyl i terfenyl jako moderatory i składniki chłodzące.

Klasyfikacja reaktorów jądrowych ze względu na rodzaj chłodziwa

• Reaktor chłodzony wodą. W Stanach Zjednoczonych działają 104 reaktory. 69 z nich to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR), a 35 to reaktory z wrzącą wodą (BWR). Jądrowe reaktory ciśnieniowe (PWR) stanowią zdecydowaną większość wszystkich zachodnich elektrowni jądrowych. Główną cechą typu RVD jest obecność doładowania, specjalnego zbiornika wysokociśnieniowego. Większość komercyjnych reaktorów RVD i instalacji reaktorów morskich wykorzystuje sprężarki doładowujące. Podczas normalnej pracy dmuchawa jest częściowo wypełniona wodą, a nad nią utrzymuje się pęcherzyk pary, który powstaje w wyniku podgrzewania wody za pomocą grzałek zanurzeniowych. W trybie normalnym doładowanie jest podłączone do zbiornika reaktora wysokociśnieniowego (HRVV), a kompensator ciśnienia zapewnia obecność wnęki w przypadku zmiany objętości wody w reaktorze. Schemat ten zapewnia również kontrolę ciśnienia w reaktorze poprzez zwiększanie lub zmniejszanie ciśnienia pary w kompensatorze za pomocą grzejników.

• Wysokociśnieniowe reaktory ciężkowodne należą do typu ciśnieniowych reaktorów wodnych (PWR), łączących zasady stosowania ciśnienia, izolowanego obiegu termicznego, zakładającego wykorzystanie ciężkiej wody jako chłodziwa i moderatora, co jest korzystne ekonomicznie.
• Reaktor z wrzącą wodą(BWR). Modele reaktorów wrzącej wody charakteryzują się obecnością wrzącej wody wokół prętów paliwowych na dnie głównego zbiornika reaktora. Reaktor z wrzącą wodą wykorzystuje jako paliwo wzbogacony 235U w postaci dwutlenku uranu. Paliwo składane jest w pręty umieszczane w stalowym naczyniu, które z kolei zanurzane jest w wodzie. Proces rozszczepienia jądrowego powoduje wrzenie wody i powstawanie pary. Para ta przepływa rurociągami w turbinach. Turbiny napędzane są parą, a w procesie tym wytwarzana jest energia elektryczna. Podczas normalnej pracy ciśnienie jest kontrolowane przez ilość pary wodnej przepływającej ze zbiornika ciśnieniowego reaktora do turbiny.
• Reaktor typu basenowego
• Reaktor chłodzony ciekłym metalem. Ponieważ woda jest moderatorem neutronów, nie można jej używać jako chłodziwa w reaktorze na neutrony prędkie. Do chłodziw z ciekłych metali zalicza się sód, NaK, ołów, eutektykę ołowiowo-bizmutową, a w przypadku reaktorów wcześniejszych generacji – rtęć.
• Reaktor na neutrony szybkie chłodzony sodem.
• Reaktor na neutrony szybkie z chłodziwem ołowiowym.
• Reaktory chłodzone gazem chłodzony krążącym gazem obojętnym, utworzonym przez hel w konstrukcjach wysokotemperaturowych. Jednocześnie dwutlenek węgla był już wcześniej wykorzystywany w brytyjskich i francuskich elektrowniach jądrowych. Stosowano także azot. Zużycie ciepła zależy od typu reaktora. Niektóre reaktory są tak gorące, że gaz może bezpośrednio napędzać turbinę gazową. Starsze konstrukcje reaktorów zazwyczaj obejmowały przepuszczanie gazu przez wymiennik ciepła w celu wytworzenia pary dla turbiny parowej.
• Reaktory na stopioną sól(MSR) są chłodzone za pomocą cyrkulującej stopionej soli (zwykle mieszanin eutektycznych soli fluorkowych, takich jak FLiBe). W typowym MSR chłodziwo służy również jako matryca, w której rozpuszczany jest materiał rozszczepialny.

Generacje reaktorów jądrowych

• Reaktor pierwszej generacji(wczesne prototypy, reaktory badawcze, niekomercyjne reaktory energetyczne)
• Reaktor drugiej generacji(większość nowoczesnych elektrowni jądrowych 1965-1996)
• Reaktor trzeciej generacji(ewolucyjne ulepszenia istniejących projektów 1996 – obecnie)
• Reaktor czwartej generacji(technologie w fazie rozwoju, data rozpoczęcia nieznana, prawdopodobnie 2030 rok)

W 2003 r. Francuski Komisariat Energii Atomowej (CEA) po raz pierwszy wprowadził oznaczenie „Gen II” podczas Tygodnia Nukleoniki.

Pierwsza wzmianka o „Gen III” pojawiła się w 2000 roku w związku z rozpoczęciem Międzynarodowego Forum Generacji IV (GIF).

„Gen IV” został wymieniony w 2000 roku przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) w związku z rozwojem nowych typów elektrowni.

Klasyfikacja reaktorów jądrowych ze względu na rodzaj paliwa

• Reaktor na paliwo stałe
• Reaktor na paliwo ciekłe
• Homogeniczny reaktor chłodzony wodą
• Reaktor ze stopioną solą
• Reaktory gazowe (teoretycznie)

Klasyfikacja reaktorów jądrowych ze względu na przeznaczenie

• Wytwarzanie energii elektrycznej
• Elektrownie jądrowe, w tym małe reaktory klastrowe
• Urządzenia samobieżne (patrz elektrownie jądrowe)
• Morskie instalacje nuklearne
• Oferowane różne typy silników rakietowych
• Inne formy wykorzystania ciepła
• Odsolenie
• Wytwarzanie ciepła do ogrzewania domowego i przemysłowego
• Produkcja wodoru do wykorzystania w energetyce wodorowej
• Reaktory produkcyjne do konwersji pierwiastków
• Reaktory hodowlane zdolne do wytworzenia większej ilości materiału rozszczepialnego, niż zużywają podczas reakcji łańcuchowej (poprzez konwersję macierzystych izotopów U-238 do Pu-239 lub Th-232 do U-233). Zatem po zakończeniu jednego cyklu reaktor do hodowli uranu można ponownie napełnić uranem naturalnym lub nawet zubożonym. Z kolei reaktor rozmnażający tor można ponownie napełnić torem. Wymagana jest jednak wstępna dostawa materiału rozszczepialnego.
• Tworzenie różnych izotopów promieniotwórczych, takich jak ameryk do stosowania w czujnikach dymu oraz kobalt-60, molibden-99 i inne, stosowane jako wskaźniki i do leczenia.
• Produkcja materiałów do broni nuklearnej, takich jak pluton do celów wojskowych
• Stworzenie źródła promieniowania neutronowego (np. reaktor impulsowy Lady Godiva) i promieniowania pozytronowego (np. analiza aktywacji neutronów i datowanie potasowo-argonowe)
• Reaktor badawczy: Reaktory są zwykle używane do badań naukowych i nauczania, testowania materiałów lub produkcji radioizotopów dla medycyny i przemysłu. Są znacznie mniejsze niż reaktory energetyczne czy reaktory okrętowe. Wiele z tych reaktorów znajduje się na kampusach uniwersyteckich. W 56 krajach działa około 280 takich reaktorów. Niektórzy pracują z paliwem wysoko wzbogaconym uranem. Podejmowane są międzynarodowe wysiłki mające na celu zastąpienie paliw niskowzbogaconych.

Nowoczesne reaktory jądrowe

Reaktory wodne ciśnieniowe (PWR)

Reaktory te wykorzystują zbiornik wysokociśnieniowy do przechowywania paliwa jądrowego, prętów regulacyjnych, moderatora i chłodziwa. Chłodzenie reaktorów i moderowanie neutronów następuje za pomocą wody w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem. Gorąca radioaktywna woda opuszczająca zbiornik wysokociśnieniowy przechodzi przez obwód generatora pary, który z kolei podgrzewa obwód wtórny (nieradioaktywny). Reaktory te stanowią większość nowoczesnych reaktorów. Jest to urządzenie konstrukcji grzewczej reaktora neutronowego, z których najnowsze to WWER-1200, Zaawansowany Reaktor Wodny Ciśnieniowy i Europejski Reaktor Wodny Ciśnieniowy. Tego typu są reaktory Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

Reaktory z wrzącą wodą (BWR)

Reaktory z wrzącą wodą są podobne do reaktorów wodnych ciśnieniowych bez wytwornicy pary. Reaktory z wrzącą wodą również wykorzystują wodę jako chłodziwo i moderator neutronów jako reaktory wodne pod ciśnieniem, ale pod niższym ciśnieniem, co pozwala wodzie zagotować się w kotle, tworząc parę, która napędza turbiny. W przeciwieństwie do ciśnieniowego reaktora wodnego nie ma obwodu pierwotnego ani wtórnego. Wydajność grzewcza tych reaktorów może być wyższa, a ich konstrukcja może być prostsza, a nawet bardziej stabilna i bezpieczna. Jest to reaktor termiczny na neutrony, z których najnowsze to Zaawansowany Reaktor Wrzącej Wody i Ekonomiczny Uproszczony Reaktor Jądrowy Wrzącej Wody.

Reaktor ciśnieniowy z moderacją ciężkiej wody (PHWR)

Kanadyjska konstrukcja (znana jako CANDU) to reaktory z moderowanym ciężką wodą i ciśnieniowym chłodziwem. Zamiast stosować pojedynczy zbiornik ciśnieniowy, jak w reaktorach wodnych ciśnieniowych, paliwo jest przechowywane w setkach kanałów pod wysokim ciśnieniem. Reaktory te działają na uranie naturalnym i są reaktorami na neutrony termiczne. Reaktory ciężkowodne można tankować podczas pracy z pełną mocą, co czyni je bardzo wydajnymi w wykorzystaniu uranu (pozwala to na precyzyjną kontrolę przepływu w rdzeniu). Reaktory ciężkowodne CANDU zbudowano w Kanadzie, Argentynie, Chinach, Indiach, Pakistanie, Rumunii i Korei Południowej. Indie eksploatują również szereg reaktorów ciężkowodnych, często nazywanych „pochodnymi CANDU”, zbudowanych po zakończeniu przez rząd Kanady stosunków nuklearnych z Indiami w następstwie testu broni nuklearnej Uśmiechniętego Buddy w 1974 r.

Reaktor kanałowy dużej mocy (RBMK)

Rozwiązanie radzieckie, przeznaczone do produkcji plutonu i energii elektrycznej. RBMK wykorzystują wodę jako chłodziwo i grafit jako moderator neutronów. RBMK są pod pewnymi względami podobne do CANDU, ponieważ można je ładować podczas pracy i wykorzystywać rury ciśnieniowe zamiast zbiornika wysokociśnieniowego (jak w reaktorach wodnych ciśnieniowych). Jednakże w przeciwieństwie do CANDU są one bardzo niestabilne i nieporęczne, przez co okap reaktora jest drogi. W projektach RBMK zidentyfikowano również szereg krytycznych błędów związanych z bezpieczeństwem, chociaż niektóre z tych błędów zostały naprawione po katastrofie w Czarnobylu. Ich główną cechą jest wykorzystanie lekkiej wody i niewzbogaconego uranu. Według stanu na 2010 r. 11 reaktorów pozostaje otwartych, głównie dzięki poprawie poziomu bezpieczeństwa i wsparciu ze strony międzynarodowych organizacji ds. bezpieczeństwa, takich jak Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Pomimo tych ulepszeń reaktory RBMK są nadal uważane za jeden z najniebezpieczniejszych projektów reaktorów. Reaktory RBMK były używane tylko w byłym Związku Radzieckim.

Reaktor chłodzony gazem (GCR) i zaawansowany reaktor chłodzony gazem (AGR)

Zwykle używają grafitowego moderatora neutronów i chłodziwa CO2. Ze względu na wysokie temperatury pracy mogą być bardziej wydajne w wytwarzaniu ciepła niż reaktory wodne ciśnieniowe. Istnieje wiele reaktorów tej konstrukcji, głównie w Wielkiej Brytanii, gdzie opracowano tę koncepcję. Starsze inwestycje (tj. Stacja Magnox) są albo zamknięte, albo zostaną zamknięte w najbliższej przyszłości. Jednakże udoskonalone reaktory chłodzone gazem mają przewidywany okres eksploatacji wynoszący kolejne 10–20 lat. Reaktory tego typu są reaktorami na neutrony termiczne. Koszty pieniężne likwidacji takich reaktorów mogą być wysokie ze względu na dużą objętość rdzenia.

Reaktor szybkiego rozmnażania (LMFBR)

Reaktor ten jest przeznaczony do chłodzenia ciekłym metalem, bez moderatora i wytwarza więcej paliwa, niż zużywa. Mówi się, że są „hodowcami” paliwa, ponieważ wytwarzają paliwo rozszczepialne poprzez wychwytywanie neutronów. Reaktory takie mogą pod względem wydajności działać podobnie jak reaktory wodne ciśnieniowe, wymagają jednak kompensacji zwiększonego ciśnienia, ponieważ wykorzystują ciekły metal, który nie wytwarza nadciśnienia nawet w bardzo wysokich temperaturach. Reaktorami tego typu były BN-350 i BN-600 w ZSRR oraz Superphoenix we Francji, podobnie jak Fermi-I w Stanach Zjednoczonych. Reaktor Monju w Japonii, uszkodzony w wyniku wycieku sodu w 1995 r., wznowił pracę w maju 2010 r. We wszystkich tych reaktorach wykorzystuje się/stosowano ciekły sód. Reaktory te są reaktorami na neutrony szybkie i nie należą do reaktorów na neutrony termiczne. Reaktory te są dwojakiego rodzaju:

Ołów chłodzony

Zastosowanie ołowiu jako ciekłego metalu zapewnia doskonałą ochronę przed promieniowaniem radioaktywnym i umożliwia pracę w bardzo wysokich temperaturach. Ponadto ołów jest (w większości) przezroczysty dla neutronów, więc mniej neutronów jest traconych do chłodziwa, a chłodziwo nie staje się radioaktywne. W przeciwieństwie do sodu, ołów jest na ogół obojętny, więc ryzyko eksplozji lub wypadku jest mniejsze, ale tak duże ilości ołowiu mogą powodować problemy z punktu widzenia toksyczności i usuwania odpadów. W tego typu reaktorach często można stosować mieszaniny eutektyki ołowiu i bizmutu. W tym przypadku bizmut będzie powodował niewielkie zakłócenia promieniowania, ponieważ nie jest całkowicie przezroczysty dla neutronów i może łatwiej niż ołów mutować w inny izotop. Rosyjski okręt podwodny klasy Alpha wykorzystuje szybki reaktor chłodzony ołowiem i bizmutem jako główny system wytwarzania energii.

Chłodzony sodem

Większość reaktorów rozmnażających ciekły metal (LMFBR) jest tego typu. Sód jest stosunkowo łatwy do zdobycia i łatwy w obróbce, pomaga zapobiegać korozji różnych zanurzonych w nim części reaktora. Jednak sód reaguje gwałtownie w kontakcie z wodą, dlatego należy zachować ostrożność, chociaż takie eksplozje nie będą dużo silniejsze niż np. wycieki przegrzanej cieczy z reaktora SCWR lub RWD. EBR-I jest pierwszym reaktorem tego typu, w którym rdzeń składa się ze stopu.

Reaktor ze złożem kulowym (PBR)

Wykorzystują paliwo sprasowane w ceramiczne kulki, w których krąży gaz. Rezultatem są wydajne, bezpretensjonalne, bardzo bezpieczne reaktory na niedrogie, znormalizowane paliwo. Prototypem był reaktor AVR.

Reaktory na stopioną sól

W nich paliwo rozpuszcza się w solach fluorkowych lub fluorki stosuje się jako chłodziwo. Ich różnorodne systemy bezpieczeństwa, wysoka wydajność i wysoka gęstość energii są odpowiednie dla pojazdów. Warto zauważyć, że nie mają w rdzeniu części wysokociśnieniowych ani składników łatwopalnych. Prototypem był reaktor MSRE, w którym również zastosowano cykl paliwowy toru. Jako reaktor reprodukcyjny przetwarza wypalone paliwo jądrowe, wydobywając zarówno uran, jak i pierwiastki transuranowe, pozostawiając jedynie 0,1% odpadów transuranowych w porównaniu z obecnie działającymi konwencjonalnymi reaktorami lekkowodnymi z jednorazowym przejściem uranowym. Osobną kwestią są produkty rozszczepienia promieniotwórczego, które nie podlegają ponownemu przetworzeniu i należy je utylizować w konwencjonalnych reaktorach.

Wodny reaktor jednorodny (AHR)

W reaktorach tych wykorzystuje się paliwo w postaci rozpuszczalnych soli, które rozpuszcza się w wodzie i miesza z chłodziwem i moderatorem neutronów.

Innowacyjne systemy i projekty nuklearne

Zaawansowane reaktory

Na różnych etapach rozwoju znajduje się kilkanaście zaawansowanych projektów reaktorów. Niektóre wyewoluowały z projektów reaktorów RWD, BWR i PHWR, inne różnią się bardziej znacząco. Do tych pierwszych zalicza się Zaawansowany Reaktor Wodny Wrzący (ABWR) (dwa z nich są obecnie w eksploatacji, a kolejne są w budowie), a także planowany Ekonomiczny Reaktor Wodny Uproszczony (ESBWR) i elektrownie AP1000 (patrz Program Energii Jądrowej 2010).

Zintegrowany reaktor jądrowy na neutrony szybkie(IFR) został zbudowany, przetestowany i przetestowany w latach 80. XX wieku, a następnie wycofany z użytku po odejściu administracji Clintona w latach 90. ze względu na politykę nierozprzestrzeniania broni jądrowej. Ponowne przetwarzanie wypalonego paliwa jądrowego jest wbudowane w jego konstrukcję i dlatego wytwarza jedynie ułamek odpadów z działających reaktorów.

Modułowy reaktor wysokotemperaturowy chłodzony gazem reaktor (HTGCR) został zaprojektowany w taki sposób, że wysokie temperatury zmniejszają moc wyjściową na skutek Dopplerowskiego poszerzenia przekroju wiązki neutronów. Reaktor wykorzystuje paliwo ceramiczne, dlatego jego bezpieczne temperatury pracy przekraczają zakres temperatur redukcji mocy. Większość konstrukcji chłodzona jest obojętnym helem. Hel nie może spowodować eksplozji w wyniku rozszerzania się pary, nie jest pochłaniaczem neutronów powodującym radioaktywność i nie rozpuszcza zanieczyszczeń, które mogłyby być radioaktywne. Typowe konstrukcje składają się z większej liczby warstw ochrony biernej (do 7) niż w reaktorach lekkowodnych (zwykle 3). Unikalną cechą, która może zapewnić bezpieczeństwo, jest to, że kulki paliwowe faktycznie tworzą rdzeń i z biegiem czasu są wymieniane jedna po drugiej. Cechy konstrukcyjne ogniw paliwowych sprawiają, że ich recykling jest kosztowny.

Mały, zamknięty, mobilny, reaktor autonomiczny (SSTAR) został pierwotnie przetestowany i opracowany w USA. Reaktor zaprojektowano jako reaktor na neutrony prędkie, z pasywnym systemem ochronnym, który można było zdalnie wyłączyć w przypadku podejrzenia problemów.

Czysty i przyjazny dla środowiska zaawansowany reaktor (CAESAR) to koncepcja reaktora jądrowego wykorzystującego parę wodną jako moderator neutronów – projekt wciąż w fazie rozwoju.

Reaktor z moderacją wodną o zmniejszonej skali opiera się na udoskonalonym reaktorze z wrzącą wodą (ABWR), który jest obecnie w użyciu. Nie jest to w pełni reaktor na neutrony szybkie, ale wykorzystuje głównie neutrony epitermiczne, które mają prędkości pośrednie między termicznymi i szybkimi.

Samoregulujący moduł energetyki jądrowej z moderatorem neutronów wodorowych (HPM) to reaktor typu konstrukcyjnego wyprodukowany przez Laboratorium Narodowe w Los Alamos, w którym jako paliwo wykorzystuje się wodorek uranu.

Podkrytyczne reaktory jądrowe mają być bezpieczniejsze i bardziej stabilne, ale są złożone pod względem inżynieryjnym i ekonomicznym. Jednym z przykładów jest wzmacniacz energii.

Reaktory na bazie toru. Możliwe jest przekształcenie toru-232 w U-233 w reaktorach zaprojektowanych specjalnie do tego celu. W ten sposób tor, którego występuje w ilości czterokrotnie większej niż uran, będzie można wykorzystać do produkcji paliwa jądrowego na bazie U-233. Uważa się, że U-233 ma korzystne właściwości jądrowe w porównaniu z konwencjonalnie stosowanym U-235, szczególnie lepszą wydajność neutronową i zmniejszenie ilości wytwarzanych długożyciowych odpadów transuranowych.

Ulepszony reaktor ciężkowodny (AHWR)- proponowany reaktor ciężkowodny, który będzie stanowić rozwinięcie nowej generacji typu PHWR. W fazie rozwoju w Bhabha Nuclear Research Center (BARC) w Indiach.

KAMINI- unikalny reaktor wykorzystujący jako paliwo izotop uranu-233. Zbudowany w Indiach, w Centrum Badawczym BARC i Centrum Badań Jądrowych Indiry Gandhi (IGCAR).

Indie planują także budowę szybkich reaktorów wykorzystujących cykl paliwowy tor-uran-233. FBTR (Reaktor Fast Breeder) (Kalpakkam, Indie) wykorzystuje pluton jako paliwo i ciekły sód jako chłodziwo podczas pracy.

Czym są reaktory czwartej generacji?

Czwarta generacja reaktorów to zbiór różnych projektów teoretycznych, które są obecnie rozważane. Projekty te prawdopodobnie nie zostaną ukończone do 2030 r. Obecnie działające reaktory są ogólnie uważane za systemy drugiej lub trzeciej generacji. Systemy pierwszej generacji nie są już od jakiegoś czasu używane. Prace nad reaktorami czwartej generacji oficjalnie rozpoczęto na Międzynarodowym Forum Generacji IV (GIF) w oparciu o osiem celów technologicznych. Głównymi celami była poprawa bezpieczeństwa jądrowego, zwiększenie odporności na proliferację, minimalizacja odpadów i zużycia zasobów naturalnych oraz zmniejszenie kosztów budowy i eksploatacji takich elektrowni.

• Reaktor na neutrony szybkie chłodzony gazem
• Szybki reaktor z chłodnicą ołowiu
• Reaktor z ciekłą solą
• Szybki reaktor chłodzony sodem
• Nadkrytyczny reaktor jądrowy chłodzony wodą
• Reaktor jądrowy o bardzo wysokiej temperaturze

Czym są reaktory piątej generacji?

Reaktory piątej generacji to projekty, których realizacja jest możliwa z teoretycznego punktu widzenia, ale które nie są obecnie przedmiotem aktywnych rozważań i badań. Chociaż takie reaktory można zbudować w najbliższej przyszłości, cieszą się one niewielkim zainteresowaniem ze względu na wykonalność ekonomiczną, praktyczność lub bezpieczeństwo.

• Reaktor fazy ciekłej. Zamknięty obieg cieczy w rdzeniu reaktora jądrowego, w którym materiał rozszczepialny ma postać stopionego uranu lub roztworu uranu chłodzonego gazem roboczym wtryskiwanym przez otwory przelotowe w dnie zbiornika.
• Reaktor w fazie gazowej w rdzeniu. Opcja w cyklu zamkniętym dla rakiety o napędzie atomowym, w której materiałem rozszczepialnym jest gazowy sześciofluorek uranu znajdujący się w kwarcowym pojemniku. Gaz roboczy (taki jak wodór) będzie przepływał wokół tego naczynia i pochłaniał promieniowanie ultrafioletowe powstałe w wyniku reakcji jądrowej. Taka konstrukcja mogłaby zostać wykorzystana jako silnik rakietowy, jak wspomniano w powieści science fiction Harry'ego Harrisona Skyfall z 1976 roku. Teoretycznie wykorzystanie sześciofluorku uranu jako paliwa jądrowego (a nie jako półproduktu, jak ma to miejsce obecnie) doprowadziłoby do obniżenia kosztów wytwarzania energii, a także znacznego zmniejszenia wielkości reaktorów. W praktyce reaktor pracujący przy tak dużych gęstościach mocy wytwarzałby niekontrolowany przepływ neutronów, osłabiając właściwości wytrzymałościowe większości materiałów reaktora. Zatem przepływ byłby podobny do przepływu cząstek uwalnianych w instalacjach termojądrowych. To z kolei wymagałoby zastosowania materiałów podobnych do tych stosowanych w ramach Międzynarodowego Projektu Wdrożenia Instalacji Napromieniania Materiałów w Warunkach Reakcji Termonuklearnej.
• Reaktor elektromagnetyczny w fazie gazowej. Taki sam jak reaktor w fazie gazowej, ale z ogniwami fotowoltaicznymi, które przekształcają światło ultrafioletowe bezpośrednio w energię elektryczną.
• Reaktor fragmentacyjny
• Hybrydowa fuzja jądrowa. Wykorzystuje się neutrony emitowane podczas fuzji i rozpadu oryginału lub „substancji w strefie rozmnażania”. Na przykład transmutacja U-238, Th-232 lub wypalonego paliwa jądrowego/odpadów promieniotwórczych z innego reaktora w stosunkowo łagodne izotopy.

Reaktor z fazą gazową w rdzeniu. Opcja w cyklu zamkniętym dla rakiety o napędzie atomowym, w której materiałem rozszczepialnym jest gazowy sześciofluorek uranu znajdujący się w kwarcowym pojemniku. Gaz roboczy (taki jak wodór) będzie przepływał wokół tego naczynia i pochłaniał promieniowanie ultrafioletowe powstałe w wyniku reakcji jądrowej. Taka konstrukcja mogłaby zostać wykorzystana jako silnik rakietowy, jak wspomniano w powieści science fiction Harry'ego Harrisona Skyfall z 1976 roku. Teoretycznie wykorzystanie sześciofluorku uranu jako paliwa jądrowego (a nie jako półproduktu, jak ma to miejsce obecnie) doprowadziłoby do obniżenia kosztów wytwarzania energii, a także znacznego zmniejszenia wielkości reaktorów. W praktyce reaktor pracujący przy tak dużych gęstościach mocy wytwarzałby niekontrolowany przepływ neutronów, osłabiając właściwości wytrzymałościowe większości materiałów reaktora. Zatem przepływ byłby podobny do przepływu cząstek uwalnianych w instalacjach termojądrowych. To z kolei wymagałoby zastosowania materiałów podobnych do tych stosowanych w ramach Międzynarodowego Projektu Wdrożenia Instalacji Napromieniania Materiałów w Warunkach Reakcji Termonuklearnej.

Reaktor elektromagnetyczny w fazie gazowej. Taki sam jak reaktor w fazie gazowej, ale z ogniwami fotowoltaicznymi, które przekształcają światło ultrafioletowe bezpośrednio w energię elektryczną.

Reaktor fragmentacyjny

Hybrydowa fuzja jądrowa. Wykorzystuje się neutrony emitowane podczas fuzji i rozpadu oryginału lub „substancji w strefie rozmnażania”. Na przykład transmutacja U-238, Th-232 lub wypalonego paliwa jądrowego/odpadów promieniotwórczych z innego reaktora w stosunkowo łagodne izotopy.

Reaktory termojądrowe

Kontrolowaną syntezę jądrową można wykorzystać w elektrowniach termojądrowych do produkcji energii elektrycznej bez komplikacji związanych z pracą z aktynowcami. Jednakże nadal istnieją istotne przeszkody naukowe i technologiczne. Zbudowano kilka reaktorów termojądrowych, ale dopiero niedawno reaktory te były w stanie uwolnić więcej energii, niż zużywają. Chociaż badania rozpoczęto w latach pięćdziesiątych XX wieku, oczekuje się, że komercyjny reaktor termojądrowy zacznie działać dopiero w 2050 roku. Obecnie podejmowane są wysiłki w celu wykorzystania energii termojądrowej w ramach projektu ITER.

Cykl paliwa jądrowego

Reaktory termiczne generalnie zależą od stopnia oczyszczenia i wzbogacenia uranu. Niektóre reaktory jądrowe mogą być zasilane mieszaniną plutonu i uranu (patrz paliwo MOX). Proces wydobywania, przetwarzania, wzbogacania, wykorzystywania, ewentualnie recyklingu i unieszkodliwiania rudy uranu nazywany jest jądrowym cyklem paliwowym.

Do 1% uranu w przyrodzie stanowi łatwo rozszczepialny izotop U-235. Dlatego konstrukcja większości reaktorów wiąże się z wykorzystaniem wzbogaconego paliwa. Wzbogacanie polega na zwiększaniu udziału U-235 i zwykle przeprowadza się je poprzez dyfuzję gazową lub w wirówce gazowej. Wzbogacony produkt jest dalej przekształcany w proszek dwutlenku uranu, który jest prasowany i wypalany w granulki. Granulki te umieszcza się w probówkach, które następnie zamyka się. Rury te nazywane są prętami paliwowymi. Każdy reaktor jądrowy wykorzystuje wiele takich prętów paliwowych.

Większość komercyjnych reaktorów BWR i PWR wykorzystuje uran wzbogacony do około 4% U-235. Ponadto niektóre reaktory przemysłowe charakteryzujące się dużą oszczędnością neutronów w ogóle nie wymagają paliwa wzbogaconego (to znaczy mogą wykorzystywać uran naturalny). Według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej na świecie istnieje co najmniej 100 reaktorów badawczych wykorzystujących wysoko wzbogacone paliwo (gatunek wojskowy / wzbogacenie uranu w 90%). Ryzyko kradzieży tego rodzaju paliwa (możliwego do wykorzystania w produkcji broni jądrowej) doprowadziło do kampanii wzywającej do przejścia na reaktory wykorzystujące nisko wzbogacony uran (który stwarza mniejsze zagrożenie proliferacyjne).

W procesie transformacji jądrowej wykorzystuje się rozszczepialny U-235 i nierozszczepialny U-238. U-235 jest rozszczepiany przez neutrony termiczne (tj. wolno poruszające się). Neutron termiczny to taki, który porusza się z w przybliżeniu tą samą prędkością, co otaczające go atomy. Ponieważ częstotliwość drgań atomów jest proporcjonalna do ich temperatury bezwzględnej, neutron termiczny ma większą zdolność do rozszczepiania U-235, gdy porusza się z tą samą prędkością wibracji. Z drugiej strony, U-238 ma większe szanse na wychwycenie neutronu, jeśli porusza się on bardzo szybko. Atom U-239 rozpada się tak szybko, jak to możliwe, tworząc pluton-239, który sam jest paliwem. Pu-239 jest cennym paliwem i należy go brać pod uwagę nawet w przypadku stosowania paliwa z wysoko wzbogaconego uranu. W niektórych reaktorach procesy rozpadu plutonu będą dominować w procesach rozszczepienia U-235. Szczególnie po wyczerpaniu się oryginalnie załadowanego U-235. Rozszczepienie plutonu zarówno w reaktorach prędkich, jak i termicznych, dzięki czemu idealnie nadaje się zarówno do reaktorów jądrowych, jak i bomb nuklearnych.

Większość istniejących reaktorów to reaktory termiczne, które zazwyczaj wykorzystują wodę jako moderator neutronów (moderator oznacza, że ​​spowalnia neutron do prędkości termicznej), a także jako chłodziwo. Jednak reaktor na neutrony szybkie wykorzystuje nieco inny rodzaj chłodziwa, który nie spowalnia zbytnio przepływu neutronów. Pozwala to na dominację szybkich neutronów, które można skutecznie wykorzystać do ciągłego uzupełniania zapasów paliwa. Po prostu umieszczając w rdzeniu tani, niewzbogacony uran, spontanicznie nierozszczepialny U-238 zamieni się w Pu-239, „hodując” paliwo.

W cyklu paliwowym opartym na torze tor-232 pochłania neutrony zarówno w reaktorze prędkim, jak i reaktorze termicznym. W wyniku rozpadu beta toru powstaje protaktyn-233, a następnie uran-233, który z kolei wykorzystuje się jako paliwo. Dlatego, podobnie jak uran-238, tor-232 jest materiałem płodnym.

Konserwacja reaktora jądrowego

Ilość energii w zbiorniku paliwa jądrowego często wyraża się w kategoriach „dni pełnej mocy”, czyli liczby 24-godzinnych okresów (dni), w których reaktor pracuje z pełną mocą, wytwarzając energię cieplną. Dni pracy z pełną mocą w cyklu pracy reaktora (pomiędzy przerwami niezbędnymi do tankowania) są powiązane z ilością rozkładającego się uranu-235 (U-235) zawartego w zespołach paliwowych na początku cyklu. Im wyższy procent U-235 w rdzeniu na początku cyklu, tym więcej dni pracy z pełną mocą pozwoli reaktor na pracę.

Pod koniec cyklu eksploatacyjnego paliwo w niektórych zespołach jest „opracowywane”, rozładowywane i zastępowane w postaci nowych (świeżych) zespołów paliwowych. Również ta reakcja akumulacji produktów rozpadu w paliwie jądrowym determinuje żywotność paliwa jądrowego w reaktorze. Nawet na długo przed końcowym procesem rozszczepienia paliwa, w reaktorze gromadzą się długotrwałe produkty uboczne rozpadu, pochłaniające neutrony, uniemożliwiając wystąpienie reakcji łańcuchowej. Część rdzenia reaktora wymieniana podczas tankowania reaktora wynosi zazwyczaj jedną czwartą w przypadku reaktora wrzącej wody i jedną trzecią w przypadku reaktora wodnego ciśnieniowego. Unieszkodliwianie i składowanie tego wypalonego paliwa jądrowego jest jednym z najtrudniejszych zadań w organizacji pracy przemysłowej elektrowni jądrowej. Takie odpady nuklearne są niezwykle radioaktywne, a ich toksyczność stwarza ryzyko przez tysiące lat.

Nie wszystkie reaktory muszą być wyłączane z eksploatacji w celu tankowania; na przykład reaktory jądrowe z kulowymi rdzeniami paliwowymi, reaktory RBMK, reaktory ze stopioną solą, reaktory Magnox, AGR i CANDU umożliwiają przemieszczanie elementów paliwowych podczas pracy elektrowni. W reaktorze CANDU możliwe jest umieszczenie w rdzeniu poszczególnych elementów paliwowych w taki sposób, aby dostosować zawartość U-235 w elemencie paliwowym.

Ilość energii wydobytej z paliwa jądrowego nazywa się jego spalaniem i wyraża się ją w postaci energii cieplnej wytworzonej przez pierwotną masę jednostkową paliwa. Wypalenie wyraża się zazwyczaj w megawatodniach termicznych na tonę macierzystego metalu ciężkiego.

Bezpieczeństwo energii jądrowej

Bezpieczeństwo nuklearne to działania mające na celu zapobieganie awariom jądrowym i radiacyjnym lub lokalizowanie ich skutków. Energetyka jądrowa poprawiła bezpieczeństwo i wydajność reaktorów, a także wprowadziła nowe, bezpieczniejsze konstrukcje reaktorów (które generalnie nie były testowane). Nie ma jednak gwarancji, że takie reaktory zostaną zaprojektowane, zbudowane i będą mogły działać niezawodnie. Do błędów doszło, gdy projektanci reaktorów w elektrowni jądrowej Fukushima w Japonii nie spodziewali się, że tsunami wywołane trzęsieniem ziemi wyłączy system rezerwowy, który miał stabilizować reaktor po trzęsieniu ziemi, pomimo licznych ostrzeżeń NRG (krajowego urzędu ds. badań grupa) i administracją japońską w sprawie bezpieczeństwa jądrowego. Według UBS AG awaria jądrowa w Fukushimie I stawia pod znakiem zapytania, czy nawet zaawansowane gospodarki, takie jak Japonia, są w stanie zapewnić bezpieczeństwo jądrowe. Możliwe są także scenariusze katastroficzne, w tym ataki terrorystyczne. Interdyscyplinarny zespół z MIT (Massachusetts Institute of Technology) szacuje, że biorąc pod uwagę przewidywany rozwój energetyki jądrowej, w latach 2005-2055 można spodziewać się co najmniej czterech poważnych awarii jądrowych.

Awarie nuklearne i radiacyjne

Miało miejsce kilka poważnych wypadków nuklearnych i radiacyjnych. Do wypadków w elektrowniach jądrowych zalicza się incydent SL-1 (1961), wypadek w Three Mile Island (1979), katastrofę w Czarnobylu (1986) i katastrofę nuklearną w Fukushimie Daiichi (2011). Do wypadków na statkach o napędzie atomowym zaliczają się awarie reaktorów na K-19 (1961), K-27 (1968) i K-431 (1985).

Reaktory jądrowe były umieszczane na orbicie okołoziemskiej co najmniej 34 razy. Seria incydentów z udziałem radzieckiego bezzałogowego satelity RORSAT o napędzie atomowym spowodowała uwolnienie z orbity wypalonego paliwa jądrowego do atmosfery ziemskiej.

Naturalne reaktory jądrowe

Chociaż często uważa się, że reaktory rozszczepialne są wytworem nowoczesnej technologii, pierwsze reaktory jądrowe powstały w środowiskach naturalnych. Naturalny reaktor jądrowy można utworzyć w pewnych warunkach naśladujących warunki panujące w skonstruowanym reaktorze. Do chwili obecnej w trzech oddzielnych złożach rudy kopalni uranu Oklo w Gabonie (Afryka Zachodnia) odkryto aż piętnaście naturalnych reaktorów jądrowych. Dobrze znane „martwe” reaktory Okllo zostały po raz pierwszy odkryte w 1972 roku przez francuskiego fizyka Francisa Perrina. Samopodtrzymująca reakcja rozszczepienia jądrowego miała miejsce w tych reaktorach około 1,5 miliarda lat temu i utrzymywała się przez kilkaset tysięcy lat, wytwarzając w tym okresie średnio 100 kW mocy wyjściowej. Koncepcję naturalnego reaktora jądrowego wyjaśnił teoretycznie już w 1956 roku Paul Kuroda na Uniwersytecie Arkansas.

Takie reaktory nie mogą już powstawać na Ziemi: rozpad radioaktywny w tak ogromnym okresie spowodował zmniejszenie udziału U-235 w naturalnym uranie poniżej poziomu wymaganego do utrzymania reakcji łańcuchowej.

Naturalne reaktory jądrowe powstały, gdy bogate złoża minerałów uranu zaczęły wypełniać się wodą podziemną, która działała jako moderator neutronów i zapoczątkowała znaczącą reakcję łańcuchową. Moderator neutronów w postaci wody odparował, powodując przyspieszenie reakcji, a następnie ponownie skroplił się, powodując spowolnienie reakcji jądrowej i zapobiegnięcie stopieniu. Reakcja rozszczepienia trwała setki tysięcy lat.

Naukowcy zainteresowani usuwaniem odpadów radioaktywnych w środowisku geologicznym dokładnie badali takie naturalne reaktory. Proponują studium przypadku migracji izotopów promieniotwórczych przez warstwę skorupy ziemskiej. Jest to kluczowa kwestia dla krytyków utylizacji odpadów geologicznych, którzy obawiają się, że izotopy zawarte w odpadach mogą przedostać się do wodociągów lub migrować do środowiska.

Problemy środowiskowe energetyki jądrowej

Reaktor jądrowy uwalnia niewielkie ilości trytu Sr-90 do powietrza i wód gruntowych. Woda zanieczyszczona trytem jest bezbarwna i bezwonna. Duże dawki Sr-90 zwiększają ryzyko raka kości i białaczki u zwierząt i prawdopodobnie u ludzi.

W połowie XX wieku uwaga ludzkości skupiła się wokół atomu i wyjaśnień naukowców dotyczących reakcji jądrowej, którą początkowo postanowili wykorzystać do celów wojskowych, wynajdując pierwsze bomby atomowe według Projektu Manhattan. Ale w latach 50. XX wieku reaktor jądrowy w ZSRR był wykorzystywany do celów pokojowych. Powszechnie wiadomo, że 27 czerwca 1954 roku na służbę ludzkości weszła pierwsza na świecie elektrownia jądrowa o mocy 5000 kW. Dziś reaktor jądrowy pozwala wytworzyć energię elektryczną o mocy 4000 MW i większej, czyli 800 razy więcej niż pół wieku temu.

Co to jest reaktor jądrowy: podstawowa definicja i główne elementy jednostki

Reaktor jądrowy to specjalna jednostka, która wytwarza energię w wyniku prawidłowego utrzymania kontrolowanej reakcji jądrowej. Dopuszczalne jest używanie słowa „atomowy” w połączeniu ze słowem „reaktor”. Wielu na ogół uważa pojęcia „jądrowy” i „atomowy” za synonimy, ponieważ nie znajdują między nimi zasadniczej różnicy. Ale przedstawiciele nauki skłaniają się do bardziej poprawnej kombinacji - „reaktora jądrowego”.

Ciekawy fakt! Reakcje jądrowe mogą zachodzić wraz z uwolnieniem lub absorpcją energii.

Głównymi elementami konstrukcji reaktora jądrowego są następujące elementy:

• Moderator;
• Pręty kontrolne;
• Pręty zawierające wzbogaconą mieszaninę izotopów uranu;
• Specjalne elementy zabezpieczające przed promieniowaniem;
• chłodziwo;
• Generator pary;
• Turbina;
• Generator;
• Kondensator;
• Paliwo nuklearne.

Jakie podstawowe zasady działania reaktora jądrowego ustalają fizycy i dlaczego są one niewzruszone

Podstawowa zasada działania reaktora jądrowego opiera się na osobliwościach manifestacji reakcji jądrowej. W momencie standardowego procesu jądrowego łańcucha fizycznego cząstka oddziałuje z jądrem atomowym, w wyniku czego jądro zamienia się w nowe wraz z uwolnieniem cząstek wtórnych, które naukowcy nazywają kwantami gamma. Podczas jądrowej reakcji łańcuchowej uwalniane są ogromne ilości energii cieplnej. Przestrzeń, w której zachodzi reakcja łańcuchowa, nazywana jest rdzeniem reaktora.

Ciekawy fakt! Strefa aktywna zewnętrznie przypomina kocioł, przez który przepływa zwykła woda, pełniąc rolę chłodziwa.

Aby zapobiec utracie neutronów, strefa aktywów reaktora jest otoczona specjalnym reflektorem neutronów. Jego podstawowym zadaniem jest odrzucenie większości wyemitowanych neutronów do jądra. Ta sama substancja, która służy jako moderator, jest zwykle używana jako reflektor.

Główne sterowanie reaktorem jądrowym odbywa się za pomocą specjalnych prętów sterujących. Wiadomo, że pręty te wprowadzane są do rdzenia reaktora i stwarzają wszystkie warunki pracy bloku. Zazwyczaj pręty kontrolne są wykonane ze związków chemicznych boru i kadmu. Dlaczego zastosowano te konkretne elementy? Tak, a wszystko dlatego, że bor czy kadm potrafią skutecznie absorbować neutrony termiczne. A gdy tylko planowany jest start, zgodnie z zasadą działania reaktora jądrowego, do rdzenia wkładane są pręty sterujące. Ich podstawowym zadaniem jest absorpcja znacznej części neutronów, prowokując w ten sposób rozwój reakcji łańcuchowej. Wynik powinien osiągnąć pożądany poziom. Gdy moc wzrośnie powyżej ustawionego poziomu, włączają się automaty, koniecznie zanurzając pręty sterujące głęboko w rdzeniu reaktora.

Staje się zatem jasne, że pręty sterujące lub sterujące odgrywają ważną rolę w działaniu termicznego reaktora jądrowego.

Aby zmniejszyć wyciek neutronów, rdzeń reaktora jest otoczony reflektorem neutronów, który wyrzuca do rdzenia znaczną masę swobodnie uciekających neutronów. Odbłyśnik zwykle wykorzystuje tę samą substancję co moderator.

Zgodnie z normą jądro atomów substancji moderatora ma stosunkowo małą masę, dzięki czemu przy zderzeniu z lekkim jądrem neutron obecny w łańcuchu traci więcej energii niż przy zderzeniu z ciężkim. Najczęstszymi moderatorami są zwykła woda lub grafit.

Ciekawy fakt! Neutrony w procesie reakcji jądrowej charakteryzują się niezwykle dużą prędkością poruszania się, dlatego potrzebny jest moderator, który sprawi, że neutrony stracą część swojej energii.

Żaden reaktor na świecie nie może normalnie funkcjonować bez pomocy chłodziwa, ponieważ jego celem jest usunięcie energii wytwarzanej w sercu reaktora. Jako chłodziwo należy stosować ciecz lub gazy, ponieważ nie są one zdolne do pochłaniania neutronów. Podajmy przykład chłodziwa dla kompaktowego reaktora jądrowego - wodę, dwutlenek węgla, a czasem nawet ciekły metaliczny sód.

Zatem zasada działania reaktora jądrowego opiera się w całości na prawach reakcji łańcuchowej i jej przebiegu. Wszystkie elementy reaktora - moderator, pręty, chłodziwo, paliwo jądrowe - wykonują przypisane im zadania, zapewniając normalną pracę reaktora.

Jakie paliwo wykorzystuje się w reaktorach jądrowych i dlaczego wybiera się te pierwiastki chemiczne

Głównym paliwem w reaktorach mogą być izotopy uranu, plutonu lub toru.

Już w 1934 roku F. Joliot-Curie obserwując proces rozszczepienia jądra uranu zauważył, że w wyniku reakcji chemicznej jądro uranu dzieli się na fragmenty-jądra i dwa lub trzy wolne neutrony. Oznacza to, że istnieje możliwość, że wolne neutrony połączą się z innymi jądrami uranu i wywołają kolejne rozszczepienie. I tak, jak przewiduje reakcja łańcuchowa: z trzech jąder uranu zostanie uwolnionych od sześciu do dziewięciu neutronów, które ponownie połączą się z nowo powstałymi jądrami. I tak w nieskończoność.

Ważne do zapamiętania! Neutrony pojawiające się podczas rozszczepienia jądrowego są w stanie wywołać rozszczepienie jąder izotopu uranu o liczbie masowej 235 oraz zniszczyć jądra izotopu uranu o liczbie masowej 238, energia wytworzona w procesie rozpadu może być niewystarczająca .

Uran numer 235 jest rzadko spotykany w przyrodzie. Stanowi jedynie 0,7%, ale naturalny uran-238 zajmuje większą niszę i stanowi 99,3%.

Pomimo tak małej zawartości uranu-235 w przyrodzie, fizycy i chemicy nadal nie mogą mu odmówić, ponieważ jest on najskuteczniejszy dla pracy reaktora jądrowego, obniżając koszty produkcji energii dla ludzkości.

Kiedy pojawiły się pierwsze reaktory jądrowe i gdzie są dziś powszechnie stosowane?

Już w 1919 roku fizycy zatriumfowali, gdy Rutherford odkrył i opisał proces powstawania poruszających się protonów w wyniku zderzeń cząstek alfa z jądrami atomów azotu. Odkrycie to oznaczało, że jądro izotopu azotu w wyniku zderzenia z cząstką alfa zostało przekształcone w jądro izotopu tlenu.

Zanim pojawiły się pierwsze reaktory jądrowe, świat poznał kilka nowych praw fizyki, które dotyczą wszystkich ważnych aspektów reakcji jądrowych. I tak w 1934 roku F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski jako pierwsi zaproponowali społeczeństwu i kręgowi światowych naukowców założenia teoretyczne i bazę dowodową o możliwości prowadzenia reakcji jądrowych. Wszystkie eksperymenty dotyczyły obserwacji rozszczepienia jądra uranu.

W 1939 roku E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch prześledzili reakcję rozszczepienia jąder uranu pod wpływem bombardowania neutronami. Podczas badań naukowcy odkryli, że gdy jeden przyspieszony neutron uderza w jądro uranu, istniejące jądro dzieli się na dwie lub trzy części.

Reakcja łańcuchowa została praktycznie udowodniona w połowie XX wieku. Naukowcom udało się udowodnić w 1939 roku, że rozszczepienie jednego jądra uranu uwalnia około 200 MeV energii. Jednak około 165 MeV jest przydzielane na energię kinetyczną jąder fragmentów, a pozostała część jest przenoszona przez kwanty gamma. Odkrycie to stanowiło przełom w fizyce kwantowej.

E. Fermi kontynuował pracę i badania przez kilka kolejnych lat i uruchomił pierwszy reaktor jądrowy w 1942 roku w USA. Wdrożony projekt otrzymał nazwę „Chicago Woodpile” i został postawiony na torze. 5 września 1945 roku Kanada uruchomiła reaktor jądrowy ZEEP. Kontynent europejski nie pozostał daleko w tyle, a w tym samym czasie trwała budowa instalacji F-1. A dla Rosjan jest jeszcze jedna pamiętna data – 25 grudnia 1946 r. w Moskwie pod przewodnictwem I. Kurczatowa uruchomiono reaktor. Nie były to najpotężniejsze reaktory jądrowe, ale był to początek panowania człowieka nad atomem.

W celach pokojowych w 1954 roku w ZSRR utworzono naukowy reaktor jądrowy. Pierwszy na świecie pokojowy statek z elektrownią jądrową, lodołamacz o napędzie atomowym Lenin, został zbudowany w Związku Radzieckim w 1959 roku. Kolejnym osiągnięciem naszego państwa jest lodołamacz nuklearny „Arktika”. Ten statek nawodny jako pierwszy na świecie dotarł do bieguna północnego. Stało się to w 1975 roku.

Pierwsze przenośne reaktory jądrowe wykorzystywały wolne neutrony.

Gdzie stosowane są reaktory jądrowe i jakich typów używa ludzkość?

• Reaktory przemysłowe. Wykorzystuje się je do wytwarzania energii w elektrowniach jądrowych.
• Reaktory jądrowe pełniące funkcję jednostek napędowych atomowych okrętów podwodnych.
• Reaktory eksperymentalne (przenośne, małe). Bez nich nie ma miejsca żaden współczesny eksperyment naukowy ani badanie.

Dziś świat naukowy nauczył się używać specjalnych reaktorów do odsalania wody morskiej i zapewniania ludności wysokiej jakości wody pitnej. W Rosji działa wiele reaktorów jądrowych. Zatem według statystyk według stanu na 2018 rok w państwie działa około 37 jednostek.

Według klasyfikacji mogą one wyglądać następująco:

• Badania (historyczne). Należą do nich stacja F-1, która powstała jako poligon doświadczalny do produkcji plutonu. I.V. Kurchatov pracował w F-1 i kierował pierwszym reaktorem fizycznym.
• Badania (aktywne).
• Zbrojownia. Jako przykład reaktora – A-1, który przeszedł do historii jako pierwszy reaktor z chłodzeniem. Dotychczasowa moc reaktora jądrowego jest niewielka, ale funkcjonalna.
• Energia.
• Statek. Wiadomo, że na statkach i łodziach podwodnych, z konieczności i możliwości technicznych, stosuje się reaktory chłodzone wodą lub reaktory na ciekły metal.
• Przestrzeń. Jako przykład nazwijmy instalację Jenisej na statku kosmicznym, która uruchamia się w przypadku konieczności wydobycia dodatkowej energii, a trzeba będzie ją pozyskać za pomocą paneli słonecznych i źródeł izotopowych.

Zatem temat reaktorów jądrowych jest dość obszerny i dlatego wymaga dogłębnego przestudiowania i zrozumienia praw fizyki kwantowej. Ale znaczenie reaktorów jądrowych dla energetyki i gospodarki państwa niewątpliwie otacza już aura użyteczności i korzyści.