Energia jądrowa, Reaktor jądrowy

Energia Jądrowa

Reakcja łańcuchowa
Reakcja rozszczepienia jądra uranu, zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (ok. 2 km/s), zwany neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegną rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder rozszczepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej. W bombie atomowej pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by wszystkie powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony powodowały rozszczepienie innych jąder. Dlatego następuje bardzo gwałtowne przyspieszenie tempa reakcji owocujące nagłym uwolnieniem wielkiej energii - eksplozją. W reaktorze natomiast część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor.

Materiały rozszczepialne
Jedynie kilka izotopów pierwiastków można wykorzystać jako paliwo jądrowe. Jądro musi być duże i ciężkie oraz rozpadać się pod wpływem powolnego neutronu, emitując przy tym inne neutrony. Materiały spełniające te kryteria to materiały rozszczepialne. Zdecydowanie najczęściej używanym materiałem rozszczepialnym jest izotop uranu o liczbie masowej 235 - U235. Jego jądro składa się z 92 protonów oraz 143 neutronów. Reakcja rozszczepienia jąder porcji uranu wydziela dwa miliony razy więcej energii niż spalenie węgla o tej samej masie. Jednak nawet jeśli posiadamy odpowiedni materiał rozszczepialny, to reakcja łańcuchowa nie rozwinie się w nim, jeśli będzie go zbyt mało. Jeśli atomów uranu jest niewiele to prawdopodobieństwo, że wędrujący neutron natknie się na jądro jest znikome, i neutron wylatuje poza bryłę materiału rozszczepialnego. Jeśli rozmiar`- bryły rosną, to wzrasta też prawdopodobieństwo trafienia na jądro. Przy pewnej ilości materiału, tak zwanej masie krytycznej, reakcja łańcuchowa zaczyna sama się podtrzymywać. W pierwszej bombie atomowej dwa kawałki uranu, każdy o masie mniejszej niż krytyczna, złączono ze sobą za pomocą konwencjonalnego materiału wybuchowego. W ten sposób doszło do gwałtownego utworzenia masy ponadkrytycznej uranu i reakcja łańcuchowa rozwinęła się. Opatrzony kryptonimem CP-1 reaktor Fermiego, zwany stosem atomowym, był w istocie uporządkowanym stosem ułożonym naprzemiennie z bloczków tlenku uranu (40 ton) i grafitu (385 ton). Grafit był moderatorem, czyli substancją która spowalnia neutrony, tak by wzrosła ich efektywność w rozszczepianiu jąder uranu. Neutrony, uderzając o jądra moderatora, oddają im pewną część własnego pędu, zwalniając przy tym. By kontrolować przebieg reakcji, w stos wsuwano pręty kadmowe, które pochłaniały nadmiar neutronów, spowalniając w razie potrzeby reakcję łańcuchową. Nowoczesne reaktory Większość nowoczesnych reaktorów to reaktory termiczne, czyli wykorzystujące neutrony termiczne do rozszczepiania jąder atomów paliwa jądrowego. W reaktorach tych trzeba stosować moderatory. Obecnie stosuje się trzy ich rodzaje: grafit, wodę oraz wodę ciężką (woda, w której cząstce atomy zwykłego wodoru zastąpiono atomami deuteru - izotopu wodoru o masie atomowej 2). W początkowej fazie rozwoju energetyki jądrowej najczęściej stosowano grafit. Do dziś wykorzystuje się go w niektórych rodzajach reaktorów, w tym w wysokowydajnych reaktorach grafitowo-sodowych, chłodzonych ciekłym sodem. Reaktory, w których rolę moderatora pełni ciężka woda, charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów. Podobnie jak zwykła woda, woda ciężka może być z powodzeniem stosowana zarówno jako moderator, jak i chłodziwo. Pozwala to na budowę prostych i bardzo wydajnych reaktorów o stosunkowo niewielkich wymiarach.


Paliwo jądrowe
Niekiedy stosuje się paliwo jądrowe w postaci uranu metalicznego w specjalnych koszulkach ze stopu magnezowego. Jednak zwykle paliwem jest granulowany tlenek uranu zamknięty w długich metalowych rurach - prętach paliwowych. Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4-5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i nie spalony uran.


Chłodziwa
Reaktory trzeba chłodzić, by odbierać produkowaną w nich energię. Chłodziwo w wymiennikach ciepła grzeje wodę w drugim obiegu, nie stykającym się bezpośrednio z reaktorem, wytwarzając parę napędzającą turbiny. Chłodziwem może być woda, zarówno zwykła, jak i ciężka. Niekiedy buduje się reaktory, w których ciśnienie wody chłodzącej dobrano w ten sposób, że wrze ona, gdy przechodzi przez rdzeń reaktora. W innych woda pod ciśnieniem 100-140 atmosfer ogrzewa się nawet do 300C, co pozwala na znaczne podniesienie sprawności urządzenia. Chłodziwem może być również powietrze, gazy, takie jak wodór czy hel, lub ciekły metal - sód, potas bądź bizmut.


Reaktory prędkie i powielające
Podczas pracy reaktora część neutronów powoduje przekształcenie nierozszczepialnego izotopu U235 w rozszczepialny izotop plutonu Pu239. Ten może być wykorzystywany jako paliwo jądrowe oraz jako materiał do produkcji broni jądrowej. Zwykłe reaktory produkują niewiele plutonu, więc skonstruowano reaktory produkcyjne i powielające, których celem działania jest głównie produkcja Pu239. Jest to znacznie prostszy sposób otrzymania wysoko wzbogaconego materiału rozszczepialnego niż tradycyjne metody wzbogacania uranu. Wysoko wzbogacony uran wykorzystywany jest do produkcji broni jądrowej. Jedną z najciekawszych konstrukcji reaktora powielającego jest reaktor prędki. Neutrony poruszają się w nim ze znacznie większymi prędkościami niż w reaktorze termicznym (rzędu 150 km/s). nie stosuje się więc moderatora. Również chłodziwo musi być odpowiednie, by nie spowalniać neutronów. Dotąd używano w tym charakterze ciekłego sodu, metalu wyjątkowo aktywnego chemicznie. Ta cecha chłodziwa powoduje szereg trudności konstrukcyjnych, gdyż nieliczne tylko materiały nie korodują w kontakcie z sodem.


Kontrolowana synteza jądrowa
Obecnie wszystkie pracujące reaktory wykorzystują do produkcji energii zjawisko rozszczepienia jąder ciężkich atomów. Lecz istnieje inny sposób otrzymywania jeszcze większej energii, wykorzystywany dotąd wyłącznie w celach militarnych. Jest nim synteza jądrowa. Polega ona na łączeniu się dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu cięższego oraz wolną cząstkę elementarną. Energia wydziela się wskutek różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji. Światowe zasoby deuteru są ogromne (oceany), zaś tryt jest łatwy do wyprodukowania. Reakcja nie wytwarza też odpadów promieniotwórczych. Problem polew na tym, że do jej przeprowadzenia potrzebne jest podgrzanie substratów do co najmniej 40 mln stopni Celsjusza. Zapoczątkowanie reakcji deuteru wymaga temperatury 350 mln stopni Celsjusza. W tych temperaturach materia staje się plazmą. Poza tym jądra muszą znaleźć się odpowiednio blisko siebie. potrzebna jest więc ogromna gęstość plazmy. Co więcej, warunki te muszą trwać odpowiednio długo, czyli dziesiątą część sekundy. Dotychczas warunki takie uzyskano w bombie wodorowej. W laboratoriach pracuje się nad kontrolowaną reakcją termojądrową, stosując szereg pomysłowych technologii. Reakcja syntezy zachodzi, jednak wciąż wydatkuje się więcej energii dla jej przeprowadzenia, niż uzyskuje się w jej wyniku. Dlatego elektrownie termojądrowe pojawią się prawdopodobnie nieprędko.

Reaktor jądrowy
Reaktor jądrowy- to urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcję rozszczepienia jąder atomowych. Reakcja rozszczepienia jąder atomowych ma przebieg lawinowy – jedna reakcja 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. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi.