Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcję rozszczepienia jąder atomowych.
Reakcja rozszczepienia jąder atomowych ma przebieg lawinowy – jedna reakcja łańcuchowa może zainicjować kilka następnych. W celu kontrolowania szybkości reakcji tak by przebiegała z jednakową prędkością (mówimy, że reakcja ma przebieg łańcuchowy tzn. jedno rozszczepienie inicjuje następne rozszczepienie jądra atomowego) wprowadza się do reaktora substancje pochłaniające neutrony. Są to na przykład bor lub kadm. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi. Moderator służy do spowalniania neutronów poprzez zderzenia neutronów z jądrami moderatora.
Spis treści |
[edytuj] Podział reaktorów
[edytuj] Podział według rodzaju reakcji jądrowej
- Rozszczepienie jądra atomowego - większość reaktorów, w tym wszystkie komercyjne, oparta jest na zjawisku rozszczepienia jądra atomowego. Najczęściej jako paliwo używany jest uran, ale trwają badania nad wykorzystaniem toru (na przykład w reaktorach solnych). W tym artykule w większości fragmentów zakłada się, że mowa o wykorzystaniu rozszczepienia jądra atomowego, chyba że jest napisane inaczej.
- Kontrolowana synteza termojądrowa - wykorzystanie kontrolowanej syntezy jądrowej (najczęściej z wodorem jako paliwem) jest w fazie eksperymentalnej. Jak dotąd nie udało się uzyskać z syntezy większej ilości energii, niż w nią włożono. Jednakowoż fuzory Farnswortha–Hirscha są używane do wytwarzania promieniowania neutronowego.
- Rozpad promieniotwórczy - na przykład Radioizotopowe generatory termoelektryczne oraz baterie jądrowe
[edytuj] Podział według chłodziwa
- reaktory wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER), w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem (na tyle wysokim by woda nie zaczęła odparowywać podczas normalnej pracy reaktora).
- reaktory wodne, wrzące (BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła woda, ale wrząca,
- wyjątkowymi reaktorami wodnymi, wrzącymi są reaktory RBMK (tego typu reaktory były między innymi w Czarnobylu oraz w innych elektrowniach na terenie byłego ZSRR), chłodzone są wodą wrzącą w kanałach paliwowych, a moderowane grafitem. Ten rodzaj reaktorów jest uznawany za jeden z najniebezpieczniejszych (elektrownia w Czarnobylu posiadała cztery reaktory typu RBMK).
- reaktory wodne, basenowe, gdzie pręty paliwowe zanurzone są w basenie ze zwykłą wodą, która jest chłodziwem i moderatorem. Warstwa wody nad rdzeniem posiada wystarczającą grubość, aby całkowicie ekranować promieniowanie i personel reaktora mógł bezpiecznie pracować ponad basenem.
- reaktory ciężkowodne (PHWR np. CANDU ), chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda,
- reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), w których chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit,
- reaktory prędkie (LMFR na szybkich neutronach), pozbawione moderatora, chłodziwem są najczęściej stopione metale: sód, rzadziej ołów,
- reaktory solne (MSR), gdzie chłodziwem są stopione sole, najczęściej fluoru.
Podstawowe typy reaktorów energetycznych
| Grupa | Typ reaktora | Chłodziwo | rodzaj | Moderator | Paliwo |
|---|---|---|---|---|---|
| Grafitowo - gazowe GCR | AGR | CO2, gaz | - | grafit | UO2 wzbogacony |
| Magnox | gaz, CO2 | - | U Naturalny | ||
| HTR | He | - | UO2, UC2, ThO2, ... (235U, 233U, Pu) | ||
| Ciężkowodne | PHWR | ciężka woda | ciśnieniowy | ciężka woda | UO2 naturalny lub wzbogacony |
| Lekkowodne LWR | BWR | lekka woda | wrzący | lekka woda | UO2 wzbogacony lub UO2 wzbogacony i MOX |
| PWR | ciśnieniowy | ||||
| WWER | ciśnieniowy | ||||
| Wodno - grafitowe | RBMK | lekka woda | wrzący | grafit | UO2 wzbogacony |
| GLWR | ciśnieniowy | U naturalny lub wzbogacony | |||
| Lekko - ciężkowodne | HWLWR | lekka woda | wrzący | ciężka woda | UO2 wzbogacony - PuO2 |
| Prędkie | FBR | sód | - | - | UO2 wzbogacony - PuO2 |
|
|||||
[edytuj] Podział według generacji
- Pierwszej generacji - prototypowe
- Drugiej generacji - pierwsze reaktory przemysłowe
- Trzeciej generacji - reaktory nowszych konstrukcji
- Czwartej generacji - najnowsze, w fazie projektów
[edytuj] Podział według przeznaczenia
- energetyczne,
- napędowe (głównie okrętów podwodnych i innych dużych okrętów),
- militarne (wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej),
- badawcze.
[edytuj] Budowa reaktora
W zdecydowanej większości elektrowni jądrowych energia rozszczepienia wzbogaconego uranu jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora: odparowuje (reaktory wrzące BWR) lub nie (jeśli jest pod wysokim ciśnieniem - reaktory ciśnieniowe PWR i WWER).
Najczęściej czynnik podgrzany w reaktorze, przekazuje ciepło wodzie w wytwornicy pary, która dzieli cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona w wytwornicy para napędza turbozespół.
Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne (pochłaniają nadmiar neutronów), pręty bezpieczeństwa, moderator (zmniejsza energię neutronów), kanały chłodzenia i kanały badawcze.
[edytuj] Paliwo
W większości reaktorów (a we wszystkich lekko-wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężkowodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów. Reaktory prędkie wymagają jako paliwa bardziej wzbogaconego uranu (do 20%), bądź plutonu. Produkują za to, w procesie wychwytu neutronu i następujących rozpadów beta, pluton-239 z uranu U-238. Pluton może być następnie, po wydzieleniu używany jako paliwo. Przy odpowiedniej konstrukcji reaktor jest w stanie produkować w ten sposób więcej paliwa, niż go zużywa (reaktor powielający).
W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz. W celu uzyskania dużej ilości neutronów naukowcy pracują nad zastosowaniem zjawiska spalacji. W zjawisku tym jądra ciężkich pierwiastków np. ołowiu są bombardowane wiązką protonów o dużej energii (rzędu 1 GeV), w wyniku czego ulegają wzbudzeniu. Jądra pozbywają się energii wzbudzenia wyrzucając z siebie nukleony w tym i neutrony. Zjawisko spalacji może być stosowane w celu uczynienia bezpiecznymi i przedłużenia pracy paliwa obecnych reaktorów jądrowych, a także pomóc w utylizacji radioaktywnych odpadów.
Obecnie Indie opracowują reaktor typu AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) przystosowany do "spalania" toru.
[edytuj] Historia
- Pierwszy reaktor (uranowo-grafitowy) zwany CP-1 (ang. Chicago Pile no.1, "Stos chicagowski nr 1") zbudowany został na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem włoskiego uczonego Enrico Fermiego. Pierwsza kontrolowana reakcja łańcuchowa została w nim zapoczątkowana 2 grudnia 1942.
- 26 kwietnia 1986 miała miejsce największa katastrofa energetyki jądrowej tzw. Katastrofa w Czarnobylu
[edytuj] Statystyka
Na świecie pracuje 436 reaktorów jądrowych[1]. Znamionowa moc elektryczna bloków energetycznych, w których skład wchodziły wynosiła 372,2 GW(e). 44 reaktory znajdują się w stanie budowy, 110 planowanych, a 272 kolejnych zaproponowanych.
W 2004 roku 266 reaktorów to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR i WWER) mogące wytworzyć 239,6 GW(e). 22 reaktory jądrowe były w budowie, z czego 12 to PWR i WWER.
Polskie reaktory:
W Kartoszynie nad Jeziorem Żarnowieckim budowano Elektrownię Jądrową Żarnowiec, lecz w 1990 budowa została przerwana.
Przypisy
- ↑ World Nuclear Associacion - 1 kwietnia 2009