Reator j±drowy

REAKTOR J¡DROWY

W 1942 roku przy u¿yciu reakcji rozszczepienia Enrico Fermi uruchomi³ pierwszy reaktor j±drowy. Od tamtej pory dokona³ siê znaczny postêp w technice j±drowej. Na ca³ym ¶wiecie powsta³o wiele elektrowni j±drowych zapewniaj±cych dostêp do pr±du milionom ludzi. W 1993 roku 17,3% energii elektrycznej pochodzi³o w³a¶nie z takich elektrowni. Reaktory j±drowe pracuj± tak¿e w placówka naukowych, gdzie prowadzi siê badania w ró¿nych dziedzinach. Tak¿e dziêki nim s± zasilane potê¿ne ³odzie podwodne. U¿ycie energii j±drowej budzi dzisiaj wiele kontrowersji. Na tej stronie jednak nie bêdziemy siê nimi zajmowaæ (o skutkach u¿ywania energii j±drowej mo¿esz przeczytaæ na stronie ENERGETYKA J¡DROWA, A ¦RODOWISKO). Tutaj zajmiemy siê szczegó³owiej zasad± dzia³ania reaktora j±drowego.

Jak wiadomo reakcji rozszczepiania j±der uranu dokonuje siê przy u¿yciu wi±zki neutronów powolnych. Neutron wy³apywany przez j±dro ²³⁵₉₂U powoduje jego rozszczepienie na dwa l¿ejsze j±dra. Rozszczepieniu temu towarzyszy wyzwolenie znacznej energii i wyemitowanie pewnej liczby neutronów. ¦rednio ka¿dy neutron zaabsorbowany przez j±dro ²³⁵₉₂U uwalnia 2,5 nastêpnych neutronów. Neutrony te mog³yby byæ zaabsorbowane przez kolejne j±dra uranu i doprowadziæ do kolejnego rozszczepienia i emisji nowych neutronów. Jednak proces ten nie wygl±da tak prosto. Emitowane w czasie rozpadu neutrony s± neutronami o do¶æ wysokich energiach (1-3 MeV). Neutrony maj± zbyt du¿± szybko¶æ, aby wystarczaj±co du¿o z nich do podtrzymania reakcji j±drowej, zosta³o zaabsorbowanych. Zaledwie kilka procent mo¿e spowodowaæ kolejne rozszczepienia. Aby spowolniæ produkowane w reakcji rozszczepiania szybkie neutrony stosuje siê specjalne substancje nazywane moderatorami. Szybkie neutrony mog± zderzaæ siê z cz±steczkami moderatora wytracaj±c przy tym czê¶æ energii - zwalniaj±c. Jednocze¶nie dobry moderator nie mo¿e sam absorbowaæ neutronów. Jako moderatorów w reaktorach j±drowych u¿ywa siê grafitu, zwyk³ej wody, ciê¿kiej wody, berylu.

    Spowolnione neutrony mog± teraz powodowaæ rozszczepienie uranu.
    Je¿eli liczba neutronów, które s± tracone b±d¼ absorbowane w innych reakcjach ni¿ rozszczepianie jest wiêksza ni¿ liczba neutronów wytwarzanych w reakcji rozszczepienia, wtedy reakcja rozszczepiania nie podtrzymuje siê i ustaje. Reaktor znajduje siê w stanie podkrytycznym.
    Odwrotnie, w momencie, gdy za ka¿dym kolejnym rozszczepieniem zwiêksza siê liczba neutronów zdolnych do wywo³ania rozszczepienia to wtedy ilo¶æ rozszczepieñ wzrasta, wzrasta energia wytwarzana przez reaktor. Reaktor jest w stanie nadkrytycznym.
    Je¶li utrzymuje siê sta³a liczba rozszczepieñ (jeden neutron z ka¿dego rozszczepienia wywo³uje jedno kolejne rozszczepienie) reaktor j±drowy znajduje siê w stanie krytycznym.
    Aby móc regulowaæ w reaktorze ilo¶æ rozszczepieñ, u¿ywa siê specjalnego mechanizmu - prêtów regulacyjnych. Prêty te maj± za zadanie absorbowaæ neutrony. Prêty te mog± byæ wsuwane lub wysuwane z reaktora. Zale¿nie od tego jaka czê¶æ prêtów jest wsuniêta absorbowana jest ró¿na liczba neutronów. Mo¿na wiêc wy³±czyæ reaktor wsuwaj±c tak prêty, aby osi±gn±æ stan podkrytyczny lub tak wysun±æ, ¿e osi±gniêty zostanie stan nadkrytyczny. Po osi±gniêciu stanu nadkrytycznego czeka siê, a¿ moc reaktora osi±gnie po¿±dan± wielko¶æ. Nastêpnie wsuwa siê prêty tak, aby osi±gn±æ stan równowagi - krytyczny. Reaktor pracuje w stanie krytycznym daj±c okre¶lon±, sta³± w czasie energiê.
    Istniej± równie¿ tzw. reaktory powielaj±ce. Normalnie czysty metaliczny uran sk³ada siê z 99,3% ²³⁸₉₂U i tylko zaledwie z 0,7% ²³⁵₉₂U (oraz ze ¶ladowych ilo¶ci ²³⁴₉₂U). Naukowcy odkryli, ¿e uran ²³⁸₉₂U wychwytuje szybkie neutrony. Zamienia siê przy tym zgodnie z wzorem reakcji:

(1)

Uran ²³⁹₉₂U rozpada siê natomiast:

(2)

(3)

Powstaje pierwiastek - pluton. Pluton mo¿e byæ nastêpnie rozszczepiany przy u¿yciu powolnych neutronów. Reaktory powielaj±ce przeprowadzaj± w³a¶nie ten proces wykorzystuj±c izotop uranu ²³⁸₉₂U, który nie podlega rozszczepieniu w czasie bombardowania przez neutrony powolne, do wytworzenia rozszczepialnego plutonu.
Tak w przybli¿eniu wygl±da zasada dzia³ania reaktorów j±drowych. Oczywi¶cie stosuje siê skomplikowan± aparaturê zabezpieczaj±c±. Korzysta siê z najnowszych osi±gniêæ techniki, zmy¶lnych systemów ch³odzenia, monitorowania rdzenia po to by zapewniæ maksymalne bezpieczeñstwo i niezawodno¶æ reaktora j±drowego. Niestety nie zawsze siê to udaje...