- http://www.1lo.suwalki.pl/energ/doc/reaktor.html
- http://www.zgapa.pl/zgapedia/Reaktor_j%C4%85drowy.html
- http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/html/1_35.html
- http://www.sciaga.pl/tekst/35152-36-budowa_i_zasady_dzialania_reaktora_jadrowego
*******************************
Reaktor jądrowy – zasada działania
Reaktor jądrowy jest urządzeniem bazującym na reakcji
rozszczepienia jąder atomowych. Na początku więc należy przypomnieć
najważniejsze informacje dotyczące budowy atomu. Wiadomo
powszechnie, że każde jądro atomowe zbudowane jest z neutronów i
protonów określanych wspólną nazwą nukleony. Nukleony powiązane są
w jądrach siłami jądrowymi. Siły są siłami krótkiego zasięgu i nie
zależą od ładunku cząstki. Neutrony i protony niewiele różnią się
pod względem masy. Zasadnicza różnica między nimi polega na tym, że
protony obdarzone są ładunkami dodatnimi natomiast neutrony są
elektrycznie obojętne. Atomy tego samego pierwiastka, które w
jądrach mają taką samą liczbę protonów, a różnią się liczbą
neutronów nazywa się izotopami. Suma protonów i neutronów w jądrze
atomowym to liczba masowa, natomiast liczba protonów to liczba
atomowa.
Wyniki badań z wykorzystaniem rozpraszania wysokoenergetycznego
promieniowania na jądrach atomowych pokazują , że jądra przyjmują
kulisty kształt.
Siły wiążące nukleony w jądrze musza być tak silne, aby
przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne między dodatnio
naładowanymi protonami. Oddziaływanie między dwoma protonami jest
takie samo jak między dwoma neutronami czy neutronem i protonem.
Dlatego umownie nazywa się je oddziaływaniem nukleon – nukleon.
Okazuje się, że masa każdego jądra jest mniejsza od sumy mas
poszczególnych nukleonów wchodzących w jego skład. Ta różnica masy
zwana jest defektem lub niedoborem masy. Jest to bezpośredni dowód
na istnienie energii wiązania nukleonów. Zgodnie ze wzorem
Einsteina
widać, że jeśli nastąpi zmniejszenie energii układu o wartość
wtedy musi temu towarzyszyć także zmniejszenie masy układu o
wartość
. Do takiego zmniejszenia energii układu dochodzi właśnie w
momencie łączenia się nukleonów w jądro. Energia układu zmniejsza
się o energię wiązania jądra.
Wartość energii wiązania przypadająca na jeden nukleon jest
wielkością charakteryzującą dane jądro. Jeśli dokona się analizy
wartości energii wiązania na jeden nukleon dla wszystkich
pierwiastków to widać, że początkowo wartość tej energii rośnie
wraz ze wzrostem liczby masowej. Dzieje się tak do wartości liczby
masowej około 50. jest to spowodowane faktem, że wraz ze
wzrastająca liczbą nukleonów w jądrze każdy z nich jest przyciągany
przez większą liczbę cząstek. Jednak po pewnym czasie energia
wiązania osiąga stałą wartość wynoszącą około 8 MeV i następnie
zaczyna się zmniejszać. Przyczyną tego jest krótki zasięg sił
jądrowych. Najsilniej zatem związane są w jądrach nukleony w
przypadku pierwiastków zajmujących środkową część układu
okresowego.
Z takich zmian energii wiązania wynikają zjawiska rozszczepienia i
syntezy jądrowej. Dla jąder ciężkich korzystniejszy energetycznie
jest podział na dwa mniejsze jądra. Sumaryczna masa tych jąder jest
mniejsza niż masa jądra macierzystego stąd wiadomo, że nukleony w
tych jądrach są silniej wiązane. Dzięki temu w procesach
rozszczepienia wydzielają się duże ilości energii.
W celu zwiększenia prawdopodobieństwa rozszczepienia jądra
ciężkiego bombarduje się je neutronami o odpowiedniej energii.
W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra ciężkiego powstaje na ogół
kilka neutronów. Można to dostrzec analizując stosunek protonów do
neutronów w jądrze rozszczepianym, które zazwyczaj zawiera nadmiar
neutronów oraz w jądrach pierwiastków lekkich.
Każdy powstały neutron może wywołać kolejne reakcje rozszczepienia
i w ten sposób może zostać zapoczątkowany samopodtrzymujący się
proces zwany reakcją łańcuchową. Musi być jednak zapewniona
odpowiednia ilość materiału, który ulega rozszczepieniu. Jest to
tzw. masa krytyczna. W reaktorach jądrowych przeprowadza się
kontrolowane reakcje łańcuchowe. Chodzi o to , aby utrzymać ilość
rozszczepień przypadającą na jednostkę czasu na stałym poziomie. Po
raz pierwszy taką reakcje udało się przeprowadzić w roku 1942.
Dokonał tego Enrico Fermi.
Aby spalenie paliwa odbywało się powoli konieczne jest stosowanie
odpowiednich zabezpieczeń. Wykorzystuje się specjalne materiały,
które wyłapują nadmiar powstających neutronów.
Ponieważ przekrój czynny neutronów prędkich na rozszczepienie jest
mały dlatego zachodzi również konieczność ich spowalniania. W tym
celu stosuje się materiały zwane moderatorami.
W porównaniu więc z nakładami finansowymi poniesionymi na budowę
konwencjonalnej elektrowni elektrownia atomowa wymaga na starcie
zdecydowanie większych inwestycji. Ale później cena energii w niej
produkowanej jest porównywalna a nawet tańsza od energii
produkowanej w tradycyjny sposób.
W budowie typowego reaktora można wyróżnić kilka
charakterystycznych elementów. Najważniejszy oczywiście jest sam
rdzeń, który składa się m.in. z prętów paliwowych. Pręty te
zawierają materiał rozszczepialny. Konieczne są także elementy
zabezpieczające czyli chociażby pręty regulacyjne , które
pochłaniają nadmiar neutronów. Zazwyczaj wykonane są one z boru lub
kadmu. Ich zadaniem jest precyzyjna regulacja ilości neutronów.
Obecne są także pręty bezpieczeństwa, których przeznaczeniem jest
zablokowanie procesów rozszczepienia w reaktorze w razie
jakiejkolwiek awarii.
Paliwo jądrowe zgromadzone w prętach zazwyczaj wystarcza na okres 4
lub 5 lat. Zużyte pręty następnie muszą być odpowiednio składowane,
aby nie stanowić zagrożenia skażeniem terenu. Ponieważ w reakcjach
rozszczepienia powstają duże ilości energii zatem musiał zostać
stworzony system chłodzący, który odbiera tą energię. Jako
chłodziwo może być wykorzystywana zwykła woda, lub ciężka,
wzbogacona deuterem. Jako chłodziwo mogą też być wykorzystywane
gazy takie jak hel i wodór lub chociażby powietrze.
Jako elementy spowalniające szybkie neutrony w reaktorach czyli
moderatory stosuje się obecnie pręty grafitowe lub ciężką wodę.
Jeśli w reaktorze stosowana jest ciężka woda wówczas występują
najmniejsze straty neutronów.
Poza rdzeniem w skład reaktora wchodzą także reflektory neutronów.
Powodują one, ze w centrum rdzenia zwiększa się strumień neutronów.
Kolejnym elementem każdego reaktora są wszelkiego rodzaju osłony.
Mają one za zadanie zatrzymanie całego promieniowania w obrębie
reaktora.
Można wyróżnić kilka typów reaktorów jądrowych . Jedną z grup
reaktorów stanowi grupa reaktorów lekkich. Nazwa wzięła się stąd
,że w reaktorach tych jako moderator stosowana jest zwykła woda
zamiast wody wzbogaconej w deuter. Do grupy reaktorów lekkich
należy reaktor wodny wrzący. Energia wytworzona w reaktorze podczas
reakcji rozszczepienia powoduje przekształcanie się wody w parę
wodną. Do procesu tego dochodzi w zbiorniku ciśnieniowym. Ciśnienie
powstałej pary to około 7MPa. Wykorzystywana jest ona do
dostarczania energii do generatora. Energia ta jest niezbędna do
generowania prądu elektrycznego. Wewnątrz zbiornika umieszcza się
rdzeń, przez który przepuszczana jest woda. Woda ta ulega zamianie
na parę wodną. Każdy rdzeń zbudowany jest z około 800 elementów
paliwowych. Pojedyncze elementy obudowane są blaszanymi
pojemnikami. Do wnętrza tych pojemników woda może się przedostać
dzięki otworom wykonanym w dnie pojemnika. Woda , która przedostaje
się do pojemnika ma kontakt z 64 prętami. Materiałem budulcowym
tych prętów jest materiał rozszczepialny. Energia, która powstaje
podczas procesu rozszczepiania jąder atomowych jest przekazywana
wodzie.
Do grupy reaktorów lekkich należy także reaktor wodny ciśnieniowy.
W odróżnieniu od poprzedniego w reaktorze tym nie dochodzi do
wrzenia wody. Jest to możliwe dzięki ogromnemu ciśnieniu
osiągającemu wartość około 15 MPa. W reaktorze tym wyróżnia się dwa
obiegi wody: pierwotny i wtórny, które nie kontaktują się ze sobą.
Efekt taki uzyskano dzięki zastosowaniu elementu konstrukcyjnego
zwanego wytwornicą pary. W związku z przekazywaniem ciepła
temperatura wody z obiegu pierwotnego spada z 330 do 290 stopni C.
Po ochłodzeniu woda ta wraca do reaktora w celu ponownego nagrzania
natomiast woda obiegu wtórnego, doprowadzona do wrzenia stanowi
napęd turbiny w generatorze. W skład reaktora wodnego ciśnieniowego
wchodzi w sumie 200 elementów paliwowych, z których każdy zawiera
300 prętów paliwowych z materiałem rozszczepialnym.
Innym rodzajem reaktora jądrowego jest tzw. reaktor prędki. Jako
paliwo w tym reaktorze wykorzystuje się pluton 239, który jest
otrzymywany bezpośrednio w reaktorze. Zachodzi w nim bowiem
produkcja neutronów prędkich, które doprowadzają do pobudzenia
reakcji rozszczepienia uranu 238. Niektóre z takich neutronów są
przechwytywane przez inne atomy uranu i dochodzi do przekształcenia
się ich w atomy plutonu 239. W reaktorze powstaje więcej atomów
plutonu niż jest to konieczne. Ta nadmiarowa ilość jest odbierana z
reaktora i może służyć np. do produkcji broni jądrowej. Inna nazwa
tego reaktora to reaktor powielający.
Kolejnym rodzajem reaktora jest reaktor wysokotemperaturowy.
Paliwem dla takiego reaktora oprócz zwyczajowo stosowanego uranu
jest także izotop toru 232. Atomy toru pochłaniają neutrony i
przekształcają się w atomy uranu 233. Paliwo jądrowe wykorzystywane
w tym reaktorze ma postać małych kuleczek zatopionych w kulkach
wykonanych z grafitu. Jak w każdym reaktorze grafit pełni funkcję
moderatora. Energia cieplna powstała podczas pracy reaktora
powoduje ogrzanie gazu do wysokiej temperatury. Gazem tym może być
np. hel. Ogrzany gaz powoduje z kolei parowanie wody, która
napędza turbiny.
Pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany na terenie Stanów
Zjednoczonych w roku 1942. Składał się z bloku wykonanego z
grafitu. W jego skład wchodziły pręty wykonane z kadmu i uranu.
Izotop uranu stanowił paliwo czyli materiał rozszczepialny.
Natomiast pręty grafitowe miały za zadanie hamowanie neutronów, zaś
kadm pochłaniał ich nadmiar.
Natomiast w roku 1951 w stanie Idaho podjęto pierwsze próby
produkcji energii elektrycznej przy użyciu reaktora atomowego.
Jednak to nie w Stanach Zjednoczonych powstały pierwsze elektrownie
jądrowe, ale w byłym Związku Radzieckim, w Obnińsku. Było to w
1954 roku. W tym samym roku reaktor wykorzystano jako napęd łodzi
podwodnej „Nautilus”. Trzy lata później reaktor jądrowy posłużył
jako napęd lodołamacza o nazwie „Lenin”.
Na terenie Polski natomiast pierwszy reaktor uruchomiono w Świerku
pod Warszawą. Jest to reaktor doświadczalny noszący imię „Ewa”.
Mieści się na terenie Instytutu Badań Jądrowych i obecnie jest już
wygaszany. W Świerku powstał także drugi polski reaktor, „Maria” na
cześć Marii Curie – Skłodowskiej. Miało to miejsce w roku 1974.


.jpg)



