Wysłać

Co to jest reaktor jądrowy?

Reaktor jądrowy, dawniej znany jako „kocioł jądrowy”, to urządzenie służące do inicjowania i kontrolowania trwałej 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 używać pojedynczego zbiornika ciśnieniowego, 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. U podstaw jego konstrukcji leży ponowne przetwarzanie wypalonego paliwa jądrowego, dlatego też powstają w nim jedynie ułamki odpadów pochodzących 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) skutkowałoby niższymi kosztami wytwarzania energii, a także znacznie zmniejszyłoby wielkość 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 broni nuklearnej) 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.

Znaczenie energetyki jądrowej we współczesnym świecie

Energia jądrowa poczyniła ogromne postępy w ciągu ostatnich kilku dekad, stając się jednym z najważniejszych źródeł energii elektrycznej dla wielu krajów. Jednocześnie należy pamiętać, że za rozwojem tego sektora gospodarki narodowej stoi ogromny wysiłek dziesiątek tysięcy naukowców, inżynierów i zwykłych robotników, robiących wszystko, aby „pokojowy atom” nie zamienił się w realne zagrożenie dla milionów ludzi. Prawdziwym rdzeniem każdej elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy.

Historia powstania reaktora jądrowego

Pierwsze takie urządzenie zostało zbudowane u szczytu II wojny światowej w USA przez słynnego naukowca i inżyniera E. Fermiego. Ze względu na swój niezwykły wygląd, który przypominał stos ułożonych jeden na drugim bloków grafitu, reaktor ten nazwano Chicago Stack. Warto dodać, że urządzenie to działało na uran, który umieszczano tuż pomiędzy blokami.

Utworzenie reaktora jądrowego w Związku Radzieckim

W naszym kraju większą uwagę poświęcono także zagadnieniom nuklearnym. Pomimo tego, że główne wysiłki naukowców koncentrowały się na militarnym wykorzystaniu atomu, aktywnie wykorzystywali uzyskane wyniki do celów pokojowych. Pierwszy reaktor jądrowy, o kryptonimie F-1, zbudowała grupa naukowców pod przewodnictwem słynnego fizyka I. Kurczatowa pod koniec grudnia 1946 roku. Jego istotną wadą był brak jakiegokolwiek układu chłodzenia, przez co moc wydzielanej przez niego energii była niezwykle znikoma. W tym samym czasie sowieccy badacze dokończyli rozpoczęte prace, których efektem było uruchomienie zaledwie osiem lat później w mieście Obnińsku pierwszej na świecie elektrowni jądrowej.

Zasada działania reaktora

Reaktor jądrowy jest niezwykle skomplikowanym i niebezpiecznym urządzeniem technicznym. Zasada jego działania polega na tym, że podczas rozpadu uranu uwalnia się kilka neutronów, które z kolei wybijają cząstki elementarne z sąsiednich atomów uranu. Ta reakcja łańcuchowa uwalnia znaczną ilość energii w postaci ciepła i promieni gamma. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę fakt, że jeśli reakcja ta nie będzie w żaden sposób kontrolowana, wówczas rozszczepienie atomów uranu w możliwie najkrótszym czasie może doprowadzić do potężnej eksplozji z niepożądanymi konsekwencjami.

Aby reakcja przebiegała w ściśle określonych granicach, ogromne znaczenie ma konstrukcja reaktora jądrowego. Obecnie każda taka konstrukcja jest rodzajem kotła, przez który przepływa chłodziwo. W tym celu zwykle wykorzystuje się wodę, ale istnieją elektrownie jądrowe, które wykorzystują ciekły grafit lub ciężką wodę. Nie można sobie wyobrazić nowoczesnego reaktora jądrowego bez setek specjalnych sześciokątnych kaset. Zawierają elementy wytwarzające paliwo, przez które przepływają chłodziwa. Kaseta ta pokryta jest specjalną warstwą zdolną do odbijania neutronów i w ten sposób spowalniania reakcji łańcuchowej

Reaktor jądrowy i jego ochrona

Posiada kilka poziomów ochrony. Oprócz samego korpusu, od góry pokryty jest specjalną izolacją termiczną i ochroną biologiczną. Z inżynierskiego punktu widzenia konstrukcja ta jest potężnym żelbetowym bunkrem, którego drzwi są zamknięte tak szczelnie, jak to możliwe.

I. Projekt reaktora jądrowego

Reaktor jądrowy składa się z pięciu głównych elementów:

1) paliwo jądrowe;

2) moderator neutronów;

3) systemy regulacyjne;

4) systemy chłodzenia;

5) ekran ochronny.

1. Paliwo nuklearne.

Paliwo jądrowe jest źródłem energii. Obecnie istnieją trzy znane typy materiałów rozszczepialnych:

a) uran 235, który stanowi 0,7%, czyli 1/140 uranu naturalnego;

6) pluton 239, powstający w niektórych reaktorach na bazie uranu 238, który stanowi prawie całą masę uranu naturalnego (99,3%, czyli 139/140 części).

Wychwytując neutrony, jądra uranu 238 zamieniają się w jądra neptunu - 93. element układu okresowego Mendelejewa; te ostatnie z kolei zamieniają się w jądra plutonu - 94. element układu okresowego. Pluton można łatwo ekstrahować chemicznie z napromieniowanego uranu i można go wykorzystać jako paliwo jądrowe;

c) uran 233, który jest sztucznym izotopem uranu otrzymywanym z toru.

W przeciwieństwie do uranu 235, który występuje w uranie naturalnym, pluton 239 i uran 233 są otrzymywane wyłącznie sztucznie. Dlatego nazywane są wtórnym paliwem jądrowym; Źródłem takiego paliwa jest uran 238 i tor 232.

Zatem spośród wszystkich wymienionych powyżej rodzajów paliwa jądrowego głównym jest uran. To wyjaśnia ogromny zakres poszukiwań i eksploracji złóż uranu we wszystkich krajach.

Energię uwolnioną w reaktorze jądrowym porównuje się czasami z energią uwolnioną podczas reakcji spalania chemicznego. Istnieje jednak między nimi zasadnicza różnica.

Ilość ciepła uzyskanego podczas rozszczepienia uranu jest nieporównywalnie większa od ilości ciepła uzyskanego podczas spalania np. węgla: 1 kg uranu 235 w objętości równej paczce papierosów teoretycznie mógłby dostarczyć tyle energii, ile wynosi 2600 ton węgla.

Jednakże te możliwości energetyczne nie są w pełni wykorzystywane, ponieważ nie cały uran 235 można oddzielić od uranu naturalnego. W rezultacie 1 kg uranu, w zależności od stopnia jego wzbogacenia w uran 235, odpowiada obecnie około 10 tonom węgla. Należy jednak wziąć pod uwagę, że wykorzystanie paliwa jądrowego ułatwia transport, a tym samym znacznie obniża koszt paliwa. Brytyjscy eksperci obliczyli, że wzbogacając uran będą w stanie 10-krotnie zwiększyć ciepło wytwarzane w reaktorach, co równałoby się 1 tonie uranu ze 100 tys. ton węgla.

Druga różnica pomiędzy procesem rozszczepienia jądrowego, do którego dochodzi wraz z wydzieleniem ciepła, a spalaniem chemicznym polega na tym, że do reakcji spalania potrzebny jest tlen, natomiast do zainicjowania reakcji łańcuchowej wystarczy kilka neutronów i pewna masa paliwa jądrowego, równa do masy krytycznej, którą definiujemy już podaną w rozdziale o bombie atomowej.

I wreszcie niewidzialnemu procesowi rozszczepienia jądrowego towarzyszy emisja niezwykle szkodliwego promieniowania, przed którym należy zapewnić ochronę.

2. Moderator neutronów.

Aby uniknąć rozprzestrzeniania się produktów rozszczepienia w reaktorze, paliwo jądrowe należy umieścić w specjalnych skorupach. Do wykonania takich muszli można użyć aluminium (temperatura chłodziwa nie powinna przekraczać 200°), a jeszcze lepiej berylu lub cyrkonu - nowych metali, których produkcja w czystej postaci jest obarczona dużymi trudnościami.

Neutrony powstające podczas rozszczepienia jądrowego (średnio 2–3 neutrony podczas rozszczepienia jednego jądra ciężkiego pierwiastka) mają określoną energię. Aby prawdopodobieństwo rozszczepienia przez neutrony innych jąder było jak największe, bez czego reakcja nie będzie samopodtrzymująca, konieczne jest, aby neutrony te straciły część swojej prędkości. Osiąga się to poprzez umieszczenie w reaktorze moderatora, w którym w wyniku licznych, następujących po sobie zderzeń, szybkie neutrony ulegają przemianie w wolne. Ponieważ substancja stosowana jako moderator musi mieć jądra o masie w przybliżeniu równej masie neutronów, czyli jądra pierwiastków lekkich, od samego początku jako moderator stosowano ciężką wodę (D 2 0, gdzie D to deuter , zastępując lekki wodór w zwykłej wodzie N 2 0). Jednak teraz coraz częściej starają się wykorzystywać grafit - jest tańszy, a daje prawie taki sam efekt.

Tona ciężkiej wody zakupiona w Szwecji kosztuje 70–80 mln franków. Na konferencji genewskiej w sprawie pokojowego wykorzystania energii atomowej Amerykanie ogłosili, że wkrótce będą mogli sprzedawać ciężką wodę po cenie 22 milionów franków za tonę.

Tona grafitu kosztuje 400 tysięcy franków, a tona tlenku berylu kosztuje 20 milionów franków.

Substancja stosowana jako moderator musi być czysta, aby uniknąć utraty neutronów podczas przechodzenia przez moderator. Na końcu biegu neutrony osiągają średnią prędkość około 2200 m/s, podczas gdy ich prędkość początkowa wynosiła około 20 tys. km/s. W reaktorach wydzielanie ciepła następuje stopniowo i można je kontrolować, w przeciwieństwie do bomby atomowej, gdzie następuje natychmiastowo i przybiera charakter eksplozji.

Niektóre typy reaktorów prędkich nie wymagają moderatora.

3. System regulacyjny.

Osoba powinna mieć możliwość wywołania, regulowania i zatrzymania reakcji nuklearnej według własnego uznania. Osiąga się to za pomocą prętów regulacyjnych wykonanych ze stali borowej lub kadmu – materiałów, które mają zdolność pochłaniania neutronów. W zależności od głębokości opuszczenia prętów regulacyjnych do reaktora, liczba neutronów w rdzeniu wzrasta lub maleje, co ostatecznie umożliwia regulację procesu. Drążki sterujące sterowane są automatycznie za pomocą serwomechanizmów; Niektóre z tych prętów w razie zagrożenia mogą natychmiast wpaść do rdzenia.

Początkowo istniały obawy, że eksplozja reaktora spowoduje takie same zniszczenia jak bomba atomowa. Aby udowodnić, że eksplozja reaktora następuje tylko w warunkach odbiegających od normalnych i nie stwarza poważnego zagrożenia dla ludności zamieszkującej okolice elektrowni jądrowej, Amerykanie celowo wysadzili jeden z tzw. „wrzących” reaktorów. Rzeczywiście doszło do eksplozji, którą możemy określić jako „klasyczną”, czyli niejądrową; to po raz kolejny dowodzi, że reaktory jądrowe można budować w pobliżu obszarów zaludnionych, bez stwarzania dla nich szczególnego zagrożenia.

4. Układ chłodzenia.

Podczas rozszczepienia jądrowego uwalniana jest pewna energia, która jest przekazywana produktom rozpadu i powstającym neutronom. Energia ta w wyniku licznych zderzeń neutronów zamienia się w energię cieplną, dlatego aby zapobiec szybkiej awarii reaktora, należy odprowadzić ciepło. W reaktorach przeznaczonych do produkcji izotopów promieniotwórczych ciepło to nie jest wykorzystywane, natomiast w reaktorach przeznaczonych do wytwarzania energii staje się wręcz głównym produktem. Chłodzenie można przeprowadzić za pomocą gazu lub wody, która krąży w reaktorze pod ciśnieniem przez specjalne rurki, a następnie jest chłodzona w wymienniku ciepła. Uwolnione ciepło można wykorzystać do podgrzania pary, która obraca turbinę podłączoną do generatora; takim urządzeniem byłaby elektrownia jądrowa.

5. Ekran ochronny.

Aby uniknąć szkodliwego działania neutronów, które mogą ulecieć na zewnątrz reaktora i uchronić się przed promieniowaniem gamma emitowanym podczas reakcji, konieczna jest niezawodna ochrona. Naukowcy obliczyli, że reaktor o mocy 100 tys. kW emituje taką ilość promieniowania radioaktywnego, że osoba znajdująca się w odległości 100 m od niego otrzymałaby je w ciągu 2 minut. dawka śmiertelna. Aby zapewnić bezpieczeństwo personelu obsługującego reaktor, wzniesiono dwumetrowe ściany ze specjalnego betonu z płytami ołowianymi.

Pierwszy reaktor zbudował w grudniu 1942 roku włoski Fermi. Pod koniec 1955 roku na świecie było około 50 reaktorów jądrowych (USA – 2 1, Anglia – 4, Kanada – 2, Francja – 2). Dodać należy, że do początku 1956 roku zaprojektowano o około 50 kolejnych reaktorów do celów badawczych i przemysłowych (USA – 23, Francja – 4, Anglia – 3, Kanada – 1).

Rodzaje tych reaktorów są bardzo zróżnicowane, począwszy od reaktorów na neutrony wolne z moderatorami grafitowymi i uranem naturalnym jako paliwem, po reaktory na neutrony szybkie wykorzystujące jako paliwo uran wzbogacony plutonem lub uran 233, wytwarzany sztucznie z toru.

Oprócz tych dwóch przeciwstawnych typów istnieje cała seria reaktorów, które różnią się między sobą składem paliwa jądrowego, rodzajem moderatora lub chłodziwem.

Bardzo ważne jest, aby pamiętać, że chociaż teoretyczna strona zagadnienia jest obecnie dobrze zbadana przez specjalistów we wszystkich krajach, w praktyce różne kraje nie osiągnęły jeszcze tego samego poziomu. Stany Zjednoczone i Rosja wyprzedzają inne kraje. Można postawić tezę, że przyszłość energetyki jądrowej będzie zależeć w głównej mierze od postępu technologicznego.

Z książki Cudowny świat we wnętrzu jądra atomowego [wykład dla uczniów] autor Iwanow Igor Pierowicz

Budowa zderzacza LHC Teraz kilka zdjęć. Zderzacz jest akceleratorem zderzających się cząstek. Tam cząstki przyspieszają wzdłuż dwóch pierścieni i zderzają się ze sobą. Jest to największa instalacja eksperymentalna na świecie, ponieważ długość tego pierścienia – tunelu –

Z książki Najnowsza księga faktów. Tom 3 [Fizyka, chemia i technologia. Historia i archeologia. Różnorodny] autor Kondraszow Anatolij Pawłowicz

Z książki Problem atomowy przez Ran Philipa

Z księgi 5b. Elektryczność i magnetyzm autor Feynmana Richarda Phillipsa

Z książki autora

Rozdział VIII Zasada działania i możliwości reaktora jądrowego I. Konstrukcja reaktora jądrowego Reaktor jądrowy składa się z pięciu głównych elementów: 1) paliwa jądrowego, 2) moderatora neutronów, 4) układu chłodzenia; ) ochronny

Z książki autora

Rozdział 11 STRUKTURA WEWNĘTRZNA DIELEKTRYKI §1. Dipole molekularne§2. Polaryzacja elektronowa §3. cząsteczki polarne; polaryzacja orientacji§4. Pola elektryczne w próżniach dielektrycznych§5. Stała dielektryczna cieczy; Formuła Clausiusa-Mossottiego§6.

Zbudowany pod zachodnimi trybunami boiska piłkarskiego Uniwersytetu w Chicago i uruchomiony 2 grudnia 1942 r. Chicago Pile-1 (CP-1) był pierwszym na świecie reaktorem jądrowym. Składał się z bloków grafitu i uranu, miał także pręty sterujące z kadmu, indu i srebra, ale nie miał ochrony przed promieniowaniem ani układu chłodzenia. Dyrektor naukowy projektu, fizyk Enrico Fermi, opisał CP-1 jako „wilgotną stertę czarnych cegieł i drewnianych bali”.

Prace nad reaktorem rozpoczęły się 16 listopada 1942 r. Wykonano trudną pracę. Fizycy i pracownicy uniwersytetu pracowali całą dobę. Zbudowali siatkę z 57 warstw tlenku uranu i wlewków uranu osadzonych w blokach grafitu. Konstrukcję wspierała drewniana rama. Protegowana Fermiego, Leona Woods – jedyna kobieta w projekcie – dokonała dokładnych pomiarów w miarę wzrostu stosu.

2 grudnia 1942 roku reaktor był gotowy do testów. Zawierał 22 000 wlewków uranu i zużył 380 ton grafitu, a także 40 ton tlenku uranu i sześć ton uranu metalicznego. Budowa reaktora kosztowała 2,7 miliona dolarów. Eksperyment rozpoczął się o godzinie 09:45. Wzięło w nim udział 49 osób: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, młody stolarz wykonujący bloki grafitowe i pręty kadmowe, lekarze, zwykli studenci i inni naukowcy.

Trzy osoby tworzyły „oddział samobójców” – były częścią systemu bezpieczeństwa. Ich zadaniem było ugaszenie pożaru, gdyby coś poszło nie tak. Było też sterowanie: drążki sterujące sterowane ręcznie oraz drążek awaryjny, który był przywiązany do poręczy balkonu nad reaktorem. W sytuacji awaryjnej lina musiała zostać przecięta przez osobę pełniącą dyżur na balkonie, a pręt ugasił reakcję.

O godzinie 15:53 ​​po raz pierwszy w historii rozpoczęła się samopodtrzymująca jądrowa reakcja łańcuchowa. Eksperyment zakończył się sukcesem. Reaktor działał przez 28 minut.

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. Kiedy 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 szybkością ruchu, 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 spowodowało, 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 środowisku 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. W trakcie 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 w 1939 roku udowodnić, 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.