Reaktor Jądrowy

Choć trudno byłoby nazwać reaktor jądrowy prądnicą, to jest to jedno z najbardziej wydajnych urządzeń, służących do wytwarzania energii, za pośrednictwem kontrolowanej reakcji łańcuchowej. W uproszczeniu polega ona na ciągłym pozyskiwaniu energii z rozszczepiania jąder atomowych. W tym artykule skupimy się na podstawowej budowie i zasadzie działania reaktora jądrowego.

Budowa i przeznaczenie reaktora jądrowego

Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z trzech podstawowych elementów – rdzenia, reflektora neutronów i osłon biologicznych. W rdzeniu znajdują się pręty – paliwowe, regulacyjne i bezpieczeństwa. Oprócz tego wewnątrz jest moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze. Źródło energii dla reaktora stanowią wspomniane wcześniej pręty paliwowe, które zawierają paliwo jądrowe w postaci fizykochemicznej, wzbogacone w stopniu dostosowanym do konstrukcji danego reaktora jądrowego. Zadaniem moderatora jest zmniejszanie energii neutronów, produkowanych podczas rozszczepiania. Zbudowany jest z materiałów, które mają wysoką liczbę atomów i małą liczbę porządkową.

Pręty regulacyjne oraz bezpieczeństwa są wykonane z substancji pochłaniających neutrony, takich jak kadm lub bor. Te pierwsze służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, natomiast zadaniem drugich jest całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej, gdy wystąpi sytuacja awaryjna. Oba typy prętów są stopniowo wysuwane i wsuwane do rdzenia w zależności od potrzeb. Kanały chłodzące, jak sama nazwa skazuje, służą jako droga dla chłodziwa, którym może być woda, azot, ciekły sód, a nawet zwyczajne powietrze. Substancje te określamy chłodziwem pierwszego obiegu. Kanały badawcze są niezbędne do kontroli wykonywania naświetlań oraz kontroli poziomu strumienia neuronów.

Reaktory jądrowe są wykorzystywane w wielu celach, a niekiedy spełniają nawet podwójną, bądź potrójną rolę. Reaktory, standardowo wykorzystywane do generowania energii, potrafią równolegle dostarczać ciepła do ogrzewania. Podobnie reaktory badawcze wykorzystywane są często w celach szkoleniowych, a powszechne jest ich zastosowanie do produkcji radioizotopów. Wysokotemperaturowe reaktory obok produkcji ciepła dla celów technologicznych są zdolne również do wytwarzania energii elektrycznej, niekiedy ze sprawnością wyższą, niż te produkowane dla potrzeb energetyki jądrowej.

Reaktor jądrowy - zasada działania

Działanie reaktora opiera się na kontrolowanej i samo podtrzymującej się reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich na dwa lżejsze. Zachodzi ona pod wpływem powolnego neutronu termicznego, który krąży z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych – 2 m/s. Łączy się on z jądrem substancji rozszczepialnej i czyni je niestabilnym. Dochodzi do deformacji i przewężenia jądra, a finalnie rozpadu na dwa jądra stabilne, przy czym dochodzi do emisji porcji energii oraz kilku neutronów. Część z nich wychwytywana jest przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony jak bor lub kadm. Wynikiem reakcji rozszczepienia jądra w rdzeniu reaktora jest powstanie promieniowania jądrowego oraz ciepłą.

O stanie ustalonym reaktora jądrowego, zwanym również krytycznym, mówimy, gdy liczba neutronów, powstających w reaktorze jądrowym w jednostkowym czasie w wyniku rozszczepień, jest równa liczbie traconych w tym samym okresie neutronów, na skutek pochłaniania i ucieczki. Jest to normalny stan pracy reaktora jądrowego, który jest możliwy do uzyskania przy różnych poziomach strat neutronów i produkcji. W chwili, gdy narasta intensywność reakcji, mamy do czynienia ze stanem nadkrytycznym, a kiedy wygasa, mówimy, że jest to stan pod-krytyczny. Nowe jądra jakie powstają w trakcie rozszczepienia, określane fragmentami rozszczepienia stanowią początek dla łańcuchów rozpadów promieniotwórczych. Elementy tych łańcuchów należą do produktów rozszczepienia, których większość to izotopy promieniotwórcze.