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 wprowadza się do reaktora substancje pochłaniające neutrony. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi.

(rysunek)



Jak wiadomo reakcji rozszczepiania jąder uranu dokonuje się przy użyciu wiązki neutronów powolnych. Neutron wyłapywany przez jądro 23592U powoduje jego rozszczepienie na dwa lżejsze jądra. Rozszczepieniu temu towarzyszy wyzwolenie znacznej energii i wyemitowanie pewnej liczby neutronów. Średnio każdy neutron zaabsorbowany przez jądro 23592U uwalnia 2,5 następnych neutronów. Neutrony te mogłyby być zaabsorbowane przez kolejne jądra uranu i doprowadzić do kolejnego rozszczepienia i emisji nowych neutronów. Jednak proces ten nie wygląda tak prosto. Emitowane w czasie rozpadu neutrony są neutronami o wysokich energiach. Neutrony mają zbyt dużą szybkość, aby wystarczająco dużo z nich do podtrzymania reakcji jądrowej, zostało zaabsorbowanych. Zaledwie kilka procent może spowodować kolejne rozszczepienia. Aby spowolnić produkowane w reakcji rozszczepiania szybkie neutrony stosuje się specjalne substancje nazywane moderatorami. Szybkie neutrony mogą zderzać się z cząsteczkami moderatora wytracając przy tym część energii - zwalniając. Jednocześnie dobry moderator nie może sam absorbować neutronów. Jako moderatorów w reaktorach jądrowych używa się grafitu, zwykłej wody, ciężkiej wody, berylu. Spowolnione neutrony mogą teraz powodować rozszczepienie uranu. Jeżeli liczba neutronów, które są tracone bądź absorbowane w innych reakcjach niż rozszczepianie jest większa niż liczba neutronów wytwarzanych w reakcji rozszczepienia, wtedy reakcja rozszczepiania nie podtrzymuje się i ustaje. Odwrotnie, w momencie, gdy za każdym kolejnym rozszczepieniem zwiększa się liczba neutronów zdolnych do wywołania rozszczepienia to wtedy ilość rozszczepień wzrasta, wzrasta energia wytwarzana przez reaktor. Aby móc regulować w reaktorze ilość rozszczepień, używa się specjalnego mechanizmu - prętów regulacyjnych. Pręty te mają za zadanie absorbować neutrony. Pręty te mogą być wsuwane lub wysuwane z reaktora. Zależnie od tego, jaka część prętów jest wsunięta absorbowana jest różna liczba neutronów. Można, więc wyłączyć reaktor wsuwając tak pręty, aby osiągnąć stan podkrytyczny lub tak wysunąć, że osiągnięty zostanie stan nadkrytyczny. Po osiągnięciu stanu nadkrytycznego czeka się, aż moc reaktora osiągnie pożądaną wielkość. Następnie wsuwa się pręty tak, aby osiągnąć stan równowagi. Reaktor pracuje w stanie krytycznym dając określoną, stałą w czasie energię.

Z uwagi na przeznaczenie reaktory można podzielić w zasadzie na dwie kategorie: badawcze i energetyczne, przy czym te ostatnie obejmują reaktory stacjonarne i napędowe. Reaktory badawcze, do których zaliczyć należy również zestawy krytyczne, służą jako narzędzia badań w zakresie fizyki reaktorowej, chemii radiacyjnej, radiochemii, właściwości materiałów, energetyki jądrowej itp. oraz jako źródła promieniowania (głównie neutronów i promieniowania γ) do produkcji radioizotopów (nuklidów promieniotwórczych), stosowanych w medycynie, biologii, rolnictwie, przemyśle, itd. Niektóre reaktory badawcze z uranem naturalnym lub nisko wzbogaconym o dużym współczynniku przemiany paliwa stanowią również źródło nowego paliwa plutonowego. Reaktory badawcze są wyposażone w kanały doświadczalne, dochodzące do reflektora i rdzenia reaktora. Dąży się do tego, aby strumień neutronów i objętość kanałów doświadczalnych były jak największe. Szczególnie duży strumień neutronów jest niezbędny w reaktorach przeznaczonych do badań materiałowych, w których sprawdza się w praktyce zachowanie się elementów paliwowych projektowanych reaktorów energetycznych. Reaktory energetyczne są przeznaczone do produkcji energii w elektrowniach lądowych lub na statkach (reaktory napędowe). Reaktory napędowe nie różnią się w zasadzie od stacjonarnych, poza tym, że muszą się odznaczać małymi rozmiarami, co dotyczy również osłon, i zapewniać bezpieczną eksploatację również w niesprzyjających warunkach w czasie podróży. Dotychczas reaktory znalazły zastosowanie do napędu łodzi podwodnych, okrętów wojennych i statków morskich.