Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora sú založené na inicializácii a riadení samoudržiavacej jadrovej reakcie. Používa sa ako výskumný nástroj na výrobu rádioaktívnych izotopov a ako zdroj energie pre jadrové elektrárne.
Jadrový reaktor: ako to funguje (stručne)
Tu sa využíva proces jadrového štiepenia, pri ktorom sa ťažké jadro rozpadne na dva menšie fragmenty. Tieto fragmenty sú vo vysoko excitovanom stave a emitujú neutróny, iné subatomárne častice a fotóny. Neutróny môžu spôsobiť nové štiepenie, v dôsledku čoho sa uvoľní viac neutrónov atď. Takáto nepretržitá samoudržujúca séria štiepení sa nazýva reťazová reakcia. Zároveň sa uvoľňuje veľké množstvo energie, ktorej výroba je účelom využitia jadrových elektrární.
Princíp činnosti jadrového reaktora a jadrovej elektrárne je taký, že asi 85% štiepnej energie sa uvoľní vo veľmi krátkom čase po začiatku reakcie. Zvyšok sa vyrába vvýsledok rádioaktívneho rozpadu produktov štiepenia po tom, čo emitovali neutróny. Rádioaktívny rozpad je proces, pri ktorom atóm dosiahne stabilnejší stav. Pokračuje aj po dokončení rozdelenia.
V atómovej bombe sa reťazová reakcia zvyšuje na intenzite, až kým sa väčšina materiálu nerozštiepi. Stáva sa to veľmi rýchlo a spôsobuje extrémne silné výbuchy charakteristické pre takéto bomby. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora sú založené na udržiavaní reťazovej reakcie na kontrolovanej, takmer konštantnej úrovni. Je navrhnutý tak, aby nemohol explodovať ako atómová bomba.
Reťazová reakcia a kritickosť
Fyzika jadrového štiepneho reaktora je taká, že reťazová reakcia je určená pravdepodobnosťou jadrového štiepenia po emisii neutrónov. Ak sa populácia tých druhých zníži, potom rýchlosť štiepenia nakoniec klesne na nulu. V tomto prípade bude reaktor v podkritickom stave. Ak sa populácia neutrónov udržiava na konštantnej úrovni, rýchlosť štiepenia zostane stabilná. Reaktor bude v kritickom stave. A napokon, ak populácia neutrónov časom narastie, rýchlosť štiepenia a výkon sa zvýši. Jadro sa stane superkritickým.
Princíp činnosti jadrového reaktora je nasledujúci. Pred vypustením sa neutrónová populácia blíži k nule. Operátori potom odstránia riadiace tyče z jadra, čím sa zvýši jadrové štiepenie, ktoré sa dočasne preložíreaktor do superkritického stavu. Po dosiahnutí menovitého výkonu operátori čiastočne vrátia riadiace tyče, pričom upravia počet neutrónov. V budúcnosti bude reaktor udržiavaný v kritickom stave. Keď je potrebné zastaviť, operátori zasunú tyče úplne. To potláča štiepenie a privádza jadro do podkritického stavu.
Typy reaktorov
Väčšina svetových jadrových zariadení vyrába energiu, generuje teplo potrebné na otáčanie turbín, ktoré poháňajú generátory elektrickej energie. Existuje tiež veľa výskumných reaktorov a niektoré krajiny majú ponorky alebo hladinové lode s jadrovým pohonom.
Elektrárne
Existuje niekoľko typov reaktorov tohto typu, ale dizajn na ľahkú vodu našiel široké uplatnenie. Na druhej strane môže použiť tlakovú vodu alebo vriacu vodu. V prvom prípade sa kvapalina pod vysokým tlakom zahrieva teplom aktívnej zóny a vstupuje do generátora pary. Tam sa teplo z primárneho okruhu odovzdáva sekundárnemu, v ktorom je aj voda. Nakoniec vytvorená para slúži ako pracovná tekutina v cykle parnej turbíny.
Varný reaktor funguje na princípe priameho energetického cyklu. Voda, ktorá prechádza aktívnou zónou, sa privedie do varu na úrovni priemerného tlaku. Nasýtená para prechádza sériou separátorov a sušičiek umiestnených v nádobe reaktora, ktoré ju privádzajú doprehriaty stav. Prehriata vodná para sa potom používa ako pracovná tekutina na otáčanie turbíny.
Vysokoteplotné chladenie plynom
High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) je jadrový reaktor, ktorého princíp fungovania je založený na použití zmesi grafitu a mikroguľôčok paliva ako paliva. Existujú dva súťažné návrhy:
- Nemecký „plniaci“systém, ktorý využíva sférické palivové články s priemerom 60 mm, ktoré sú zmesou grafitu a paliva v grafitovom obale;
- Americká verzia vo forme grafitových šesťhranných hranolov, ktoré do seba zapadajú a vytvárajú aktívnu zónu.
V oboch prípadoch chladivo pozostáva z hélia pod tlakom asi 100 atmosfér. V nemeckom systéme hélium prechádza cez medzery vo vrstve sférických palivových článkov a v americkom systéme cez otvory v grafitových hranoloch umiestnených pozdĺž osi centrálnej zóny reaktora. Obe možnosti môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, pretože grafit má extrémne vysokú teplotu sublimácie, zatiaľ čo hélium je úplne chemicky inertné. Horúce hélium môže byť aplikované priamo ako pracovná tekutina v plynovej turbíne pri vysokej teplote, alebo jeho teplo môže byť použité na výrobu vodnej pary.
Jadrový reaktor na kvapalné kovy: schéma a princíp činnosti
Rýchlym neutrónovým reaktorom so sodíkovým chladivom bola venovaná veľká pozornosť v 60. a 70. rokoch 20. storočia. Potomzdalo sa, že ich schopnosť reprodukovať jadrové palivo v blízkej budúcnosti bola nevyhnutná na výrobu paliva pre rýchlo sa rozvíjajúci jadrový priemysel. Keď sa v 80. rokoch ukázalo, že toto očakávanie je nereálne, nadšenie vyprchalo. Množstvo reaktorov tohto typu sa však postavilo v USA, Rusku, Francúzsku, Veľkej Británii, Japonsku a Nemecku. Väčšina z nich beží na oxide uránu alebo jeho zmesi s oxidom plutóniom. V Spojených štátoch však najväčší úspech zaznamenali kovové palivá.
CANDU
Kanada zamerala svoje úsilie na reaktory, ktoré využívajú prírodný urán. Odpadá tak potreba jeho obohacovania sa uchýliť k službám iných krajín. Výsledkom tejto politiky bol deutérium-uránový reaktor (CANDU). Ovládanie a chladenie v ňom prebieha ťažkou vodou. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora spočíva v použití nádrže so studeným D2O pri atmosférickom tlaku. Jadro je prerazené rúrkami zo zliatiny zirkónu s prírodným uránovým palivom, cez ktoré ho ochladzuje ťažká voda. Elektrina sa vyrába prenosom štiepneho tepla v ťažkej vode do chladiacej kvapaliny, ktorá cirkuluje cez generátor pary. Para v sekundárnom okruhu potom prechádza cez normálny cyklus turbíny.
Výskumné inštalácie
Na vedecký výskum sa najčastejšie využíva jadrový reaktor, ktorého princípom je využitie vodného chladenia resp.lamelové uránové palivové články vo forme zostáv. Schopný pracovať v širokom rozsahu úrovní výkonu, od niekoľkých kilowattov až po stovky megawattov. Keďže výroba energie nie je hlavnou úlohou výskumných reaktorov, vyznačujú sa generovanou tepelnou energiou, hustotou a nominálnou energiou neutrónov v aktívnej zóne. Práve tieto parametre pomáhajú kvantifikovať schopnosť výskumného reaktora vykonávať špecifické prieskumy. Systémy s nízkou spotrebou energie sa zvyčajne používajú na univerzitách na účely výučby, zatiaľ čo systémy s vysokou spotrebou energie sú potrebné vo výskumných a vývojových laboratóriách na testovanie materiálov a výkonnosti a všeobecný výskum.
Najbežnejší výskumný jadrový reaktor, ktorého štruktúra a princíp činnosti sú nasledovné. Jeho aktívna zóna sa nachádza na dne veľkého hlbokého bazéna s vodou. To zjednodušuje pozorovanie a umiestnenie kanálov, cez ktoré môžu byť smerované neutrónové lúče. Pri nízkych úrovniach výkonu nie je potrebné odvzdušňovať chladiacu kvapalinu, pretože prirodzená konvekcia chladiacej kvapaliny poskytuje dostatočný odvod tepla na udržanie bezpečných prevádzkových podmienok. Výmenník tepla je zvyčajne umiestnený na povrchu alebo v hornej časti bazéna, kde sa hromadí teplá voda.
Inštalácie lodí
Pôvodné a hlavné využitie jadrových reaktorov je v ponorkách. Ich hlavnou výhodou ježe na rozdiel od systémov spaľovania fosílnych palív nepotrebujú na výrobu elektriny vzduch. Preto môže jadrová ponorka zostať ponorená po dlhú dobu, zatiaľ čo konvenčná diesel-elektrická ponorka musí pravidelne stúpať na hladinu, aby naštartovala svoje motory vo vzduchu. Jadrová energia poskytuje lodiam námorníctva strategickú výhodu. Eliminuje potrebu tankovania v zahraničných prístavoch alebo v zraniteľných tankeroch.
Princíp činnosti jadrového reaktora na ponorke je klasifikovaný. Je však známe, že v USA sa používa vysoko obohatený urán a spomaľovanie a ochladzovanie robí ľahká voda. Dizajn prvého reaktora jadrovej ponorky USS Nautilus bol silne ovplyvnený výkonnými výskumnými zariadeniami. Jeho jedinečnými vlastnosťami sú veľmi veľká rezerva reaktivity, ktorá zaisťuje dlhú dobu prevádzky bez tankovania a schopnosť reštartu po zastavení. Elektráreň v ponorkách musí byť veľmi tichá, aby sa zabránilo detekcii. Na splnenie špecifických potrieb rôznych tried ponoriek boli vytvorené rôzne modely elektrární.
Americké námorné lietadlové lode používajú jadrový reaktor, ktorého princíp je považovaný za vypožičaný z najväčších ponoriek. Podrobnosti o ich dizajne tiež neboli zverejnené.
Okrem USA majú jadrové ponorky Spojené kráľovstvo, Francúzsko, Rusko, Čína a India. V každom prípade nebol dizajn zverejnený, ale predpokladá sa, že sú všetky veľmi podobné - totoje dôsledkom rovnakých požiadaviek na ich technické vlastnosti. Rusko má tiež malú flotilu ľadoborcov s jadrovým pohonom, ktoré majú rovnaké reaktory ako sovietske ponorky.
Priemyselné inštalácie
Na výrobu zbrojného plutónia-239 sa používa jadrový reaktor, ktorého princípom je vysoká produktivita s nízkou úrovňou výroby energie. Je to spôsobené tým, že dlhý pobyt plutónia v jadre vedie k hromadeniu nežiaducich 240Pu.
Výroba trícia
V súčasnosti je hlavným materiálom, ktorý takéto systémy vyrábajú, trícium (3H alebo T), náplň do vodíkových bômb. Plutónium-239 má dlhý polčas rozpadu 24 100 rokov, takže krajiny s arzenálom jadrových zbraní využívajúcich tento prvok ho majú tendenciu mať viac, ako potrebujú. Na rozdiel od 239Pu má trícium polčas rozpadu približne 12 rokov. Aby sa teda zachovali potrebné zásoby, musí sa tento rádioaktívny izotop vodíka vyrábať nepretržite. V USA má napríklad rieka Savannah v Južnej Karolíne niekoľko ťažkovodných reaktorov, ktoré produkujú trícium.
Plávajúce energetické jednotky
Boli vytvorené jadrové reaktory, ktoré môžu poskytovať elektrinu a ohrev parou do vzdialených izolovaných oblastí. Napríklad v Rusku našli uplatneniemalé elektrárne špeciálne navrhnuté tak, aby slúžili arktickým komunitám. V Číne elektráreň HTR-10 s výkonom 10 MW dodáva teplo a energiu výskumnému ústavu, kde sa nachádza. Malé riadené reaktory s podobnými schopnosťami sa vyvíjajú vo Švédsku a Kanade. V rokoch 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktné vodné reaktory na napájanie vzdialených základní v Grónsku a Antarktíde. Nahradili ich olejové elektrárne.
Prieskum vesmíru
Okrem toho boli vyvinuté reaktory na zásobovanie energiou a pohyb vo vesmíre. V rokoch 1967 až 1988 Sovietsky zväz inštaloval na satelitoch Kosmos malé jadrové zariadenia na napájanie zariadení a telemetrie, no táto politika sa stala terčom kritiky. Najmenej jeden z týchto satelitov vstúpil do zemskej atmosféry, čo viedlo k rádioaktívnej kontaminácii vzdialených oblastí Kanady. Spojené štáty vypustili v roku 1965 iba jeden satelit s jadrovým pohonom. Naďalej sa však rozvíjajú projekty na ich využitie pri letoch do hlbokého vesmíru, pri prieskume iných planét s ľudskou posádkou či na stálej mesačnej základni. Nevyhnutne pôjde o plynom chladený alebo kvapalný kov jadrový reaktor, ktorého fyzikálne princípy zabezpečia najvyššiu možnú teplotu potrebnú na minimalizáciu veľkosti radiátora. Okrem toho by mal byť vesmírny reaktor čo najkompaktnejší, aby sa minimalizovalo množstvo použitého materiálutienenie a zníženie hmotnosti počas štartu a vesmírneho letu. Zásoba paliva zabezpečí prevádzku reaktora po celú dobu kozmického letu.
