reaktor jądrowy

reaktor jądrowy,

urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich (reakcja jądrowa).

W wyniku reakcji rozszczepiania (jądra rozszczepienie) w rdzeniu reaktora jądrowego wytwarza się promieniowanie jądrowe (głównie neutrony i promieniowanie γ) oraz ciepło; tworzy się również wiele nuklidów. Gdy liczba neutronów powstających w reaktorze jądrowym w jednostkowym czasie w wyniku rozszczepień jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie wskutek pochłaniania i ucieczki, wówczas reaktor pracuje w stanie ustalonym (tzw. stan krytyczny reaktora jądrowego); jest to normalny stan pracy reaktora jądrowego, który można osiągnąć przy różnym poziomie produkcji i strat neutronów. Nowe jądra powstające w trakcie rozszczepienia, zwane fragmentami rozszczepienia, dają początek łańcuchom rozpadów promieniotwórczych; elementy tych łańcuchów stanowią produkty rozszczepienia (olbrzymia większość z nich — kilkaset — to izotopy promieniotwórcze). Aby nie dopuścić do wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, paliwo jądrowe, tj. substancja zawierająca izotopy rozszczepialne (izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o małych energiach — ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu), jest zamknięte wewnątrz elementów paliwowych mających najczęściej postać walcowych prętów (mogą też być kuliste i płytkowe); element taki składa się ze szczelnej cienkościennej rurki, tzw. koszulki (stopy cyrkonu, stal nierdzewna), i z umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych. Zestawy (kilkudziesięciu lub więcej) elementów paliwowych tworzą zespoły (kasety) paliwowe stanowiące zasadniczą część rdzenia reaktora. W rdzeniu są umieszczone ruchome pręty regulacyjne (lub ich zespoły) wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony, służące do regulacji mocy reaktora, jego rozruchu i wyłączania.

W zależności od energii neutronów powodujących większość rozszczepień reaktory jądrowe dzielą się na reaktory jądrowe termiczne (energia rzędu do 0,1 eV) i reaktory jądrowe prędkie (energia rzędu 1 MeV). W rdzeniu termicznego reaktora jądrowego znajduje się moderator (materiał o małej masie atomowej, np. woda, ciężka woda, grafit, beryl), którego zadaniem jest spowolnienie neutronów do energii termicznych; często moderatorem jest przepływające przez rdzeń chłodziwo (woda, ciężka woda, ciekły sód, dwutlenek węgla, hel), odbierające ciepło powstające w elementach paliwowych. Rdzeń reaktora termicznego jest otoczony tzw. reflektorem (z materiału o małej masie atomowej) zmniejszającym ucieczkę neutronów, zaś rdzeń reaktora prędkiego płaszczem, tj. warstwą materiału zawierającego ²³⁸U, w którym — w wyniku pochłaniania neutronów w jądrach ²³⁸U — powstają izotopy rozszczepialne ²³⁹Pu i ²⁴¹Pu (w reaktorach prędkich masa powstałych izotopów rozszczepialnych może być większa od masy tych, które uległy zużyciu — wypaleniu; są to tzw. reaktory jądrowe powielające). Zbiornik ciśnieniowy, w którym jest umieszczony rdzeń reaktora jądrowego z reflektorem lub płaszczem (stosowane ciśnienia od kilkuset kPa do ok. 16 MPa), otacza osłona biologiczna (zwykle ze specjalnego betonu o grubości do 3 m), chroniąca otoczenie przed działaniem promieniowania jądrowego emitowanego z rdzenia reaktora. Większość pracujących reaktorów jądrowych stanowią reaktory termiczne chłodzone wodą (tzw. reaktory wodne); wśród nich wyróżnia się m.in. ciśnieniowe reaktory wodne, znane pod nazwą PWR (angielskie Pressurized Water Reactor) w wersji rosyjskiej WWER (stanowiące źródła ciepła, które następnie jest odprowadzane do wytwornicy pary przez wodę pod wysokim ciśnieniem, nie dopuszczającym do wystąpienia wrzenia w obiegu chłodzenia reaktora), reaktory z wrzącą wodą, BWR (angielskie Boiling Water Reactor; woda chłodząca reaktor pełni jednocześnie funkcje moderatora i czynnika roboczego — wytworzona bezpośrednio w reaktorze para jest kierowana do turbiny) oraz reaktory z ciężką wodą HWR (angielskie Heavy Water Reactor). Eksploatowane są również reaktory jądrowe chłodzone gazem GCR (angielskie Gas Cooled Reactor) i AGR (angielskie Advanced Gas Cooled Reactor, z moderatorem grafitowym, chłodzone CO₂) oraz wysokotemperaturowe HTGR (angielskie High Temperature Gas Cooled Reactor, moderator grafitowy, chłodzone helem), odznaczające się szczególnie korzystnymi parametrami, w tym także dotyczącymi stopnia bezpieczeństwa. Z uwagi na przeznaczenie reaktory jądrowe można podzielić w zasadzie na 3 kategorie: badawcze, energetyczne (stacjonarne i napędowe) oraz produkcyjne. Reaktory jądrowe są wykorzystywane do badań w fizyce jądrowej, chemii radiacyjnej, radiochemii, do badań właściwości materiałów, jako źródła ciepła do produkcji energii w elektrowniach lądowych i do napędzania statków, okrętów podwodnych, do odsalania wody morskiej, jako źródła promieniowania do produkcji radioizotopów, do produkcji materiałów rozszczepialnych.

Z pracą reaktora jądrowego łączy się ściśle zagadnienie przerobu wypalonego paliwa jądrowego i unieszkodliwiania powstałych odpadów promieniotwórczych. Niemożliwy jest wybuch reaktora jądrowego przez przejście do niekontrolowanej reakcji jądrowej (takiej, która zachodzi w bombie jądrowej), gdyż w jego rdzeniu znajduje się dużo materiałów silnie pochłaniających neutrony; źródłem poważnego zagrożenia mogą być natomiast promieniotwórcze produkty rozszczepienia, w przypadku wydostania się znacznych ich ilości na zewnątrz reaktora jądrowego (stan współczesnej techniki pozwala jednak na zapewnienie bezpiecznej eksploatacji reaktorów jądrowych). Pierwszy reaktor jądrowy (tzw. stos atomowy) został uruchomiony 1942 pod kierunkiem E. Fermiego w Chicago USA; w Polsce pierwszy reaktor jądrowy uruchomiono 1958 w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku.

Reaktor jądrowy termiczny