thumb|Jadro reaktora CROCUS - malého jadrového reaktora používaného na výskum v EPFL vo Švajčiarsku. thumb|Základná bloková schéma jadrovej elektrárne Jadrový reaktor je zariadenie, ktoré slúži na spustenie a riadenie jadrovej reťazovej reakcie. Jadrové reaktory sú používané v atómových elektrárňach a ako pohon plavidiel. Niektoré reaktory sa používajú na produkciu izotopov pre lekárske a priemyselné použitie, alebo na produkciu plutónia, ktoré sa používa na vojenské účely. Niektoré reaktory slúžia iba na výskumné účely.
Dejiny, úvod Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrica Fermiho – Chicago Pile-1. Využitie jadrovej energie na pohon lodí a ponoriek je myšlienkou dr. Rossa Gunna.
Prvá energetická jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v roku 1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5 MW. Do roku 2004 bolo postavených viac ako 438 jadrových reaktorov na výrobu elektrickej energie v tridsiatich krajinách sveta, s celkovou kapacitou 370,000 MWe, čo predstavovalo 16 % celkovej výroby elektrickej energie na Zemi. Počet inštalovaných reaktorov stále narastá, zároveň však dochádza k vyraďovaniu starých reaktorov. Okrem toho 56 krajín používa 284 výskumných reaktorov a ďalších 220 reaktorov je inštalovaných na lodiach a ponorkách.http://www.world-nuclear.org/info/inf01.html World Nuclear Association info K augustu 2020 bolo na svete v prevádzke približne 440 reaktorov na výrobu elektrickej energie, pričom zabezpečovali asi 10 % celkovej výroby elektrickej energie na planéte (10,2 % v roku 2017). Viac než polovicu elektrickej energie vo svojom mixe vyrábajú z jadra Francúzsko, Slovensko, Maďarsko a Ukrajina.
Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľňovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov.
V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu 235U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie.
Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju bezpečne riadiť a regulovať. Momentálne sa pracuje na snahe o zvládnutie riadenia aj termonukleárnej reakcie – fúzie, do ktorej sú zásoby paliva na rozdiel od uránu prakticky nevyčerpateľné.
Časti jadrového reaktora náhľad|Schémy uloženia palivových článkov v aktívnej zóne u reaktorov typu VVER 1000 a Westinghouse 4.
1) palivo – palivové články
prírodný urán obsahuje 0,72 % 235U a 99,274 % 238U obohacovaním sa zvyšuje podiel 235U, pre energetické reaktory obvykle na 2,5-3,5 %, v niektorých prípadoch až na 5 %
235U sa nazýva štiepnym (energetickým) materiálom - záchytom neutrónu dochádza k rozštiepeniu na dve časti 238U sa nazýva množivým materiálom - záchytom neutrónu nedochádza k rozštiepeniu, atómové číslo sa zvyšuje a následnými rádioaktívnymi premenami jadro prechádza na Pu, ktorý sa využíva na vojenské účely plutónium 239Pu je tiež možné v reaktore použiť ako palivo, zmes plutónia s uránom sú takzvané MOX palivá (mixed/metall oxid fuel)
2) moderátor
moderátorom je látka, ktorá spomaľuje sekundárne neutróny, čím prispieva k udržaniu multiplikačného faktora neutrónov na konštantnej hodnote 1 – vznik stacionárnej reakcie, ovládnutie reťazovej reakcie; ako moderátor sa používa ľahká voda H2O alebo ťažká voda D2O či grafit moderátor sa zrážkami s neutrónmi zahrieva a pri väčších ako zanedbateľných výkonoch reaktora sa musí chladiť moderátor nie je nevyhnutnou súčasťou jadrového reaktora, reaktory s rýchlymi neutrónmi moderátor nepotrebujú
3) riadiace (regulačné) tyče
vsúvajú sa do prostredia jadrového štiepenia, ich úlohou je pohlcovať sekundárne neutróny a udržať multiplikačný faktor na hodnote 1; regulačné tyče sú zliatiny ocele a kadmia Cd alebo bóru B
4) bezpečnostné (havarijné) tyče
majú rovnakú funkciu ako regulačné tyče, využívajú sa na zastavenie štiepnej reakcie predovšetkým v nebezpečných situáciach
5) reflektor neutrónov
látka, ktorá obklopuje reakčné prostredie reaktora, býva zhotovená z rovnakého materiálu, akým je aj moderátor. V reaktoroch VVER-440 je reflektorom neutrónov štrbina medzi zvlneným plechom a šachtou reaktora, ktorou prúdi chladivo primárneho okruhu, čiže je ním ľahká voda.
6) betónové tienenie
chráni okolie jadrového reaktora v prípade havárie, straty kontroly nad štiepnou reakciou a následným únikom ionizujúceho žiarenia
Princíp činnosti náhľad|Príklad využitia jadrového reaktoru ako pohonu pre vojenskú loď – americká lietadlová loď USS Nimitz. náhľad|50 let Pobedy, ruský jadrovým reaktorom poháňaný ľadoborec. náhľad|Animácia fungovania tlakového reaktora (PWR) spolu s chladiacimi vežami. thumb|Animácia fungovania varného reaktora (BWR) spolu s chladiacimi vežami. V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu - 235U. 235U sa záchytom neutrónu mení na 236U, ktorý je nestabilný, v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty). Po každom štiepení sa uvoľní presne 188MeV energie (vyplýva zo zákona zachovania energie). Pre zjednodušenie uvažujeme s 200MeV, ktoré sa rozdelia medzi štiepne fragmenty 160MeV a energiu rádioaktívnych premien 40MeV (beta častice 8MeV, gama fotóny 15MeV, neutróny 7MeV, neutrína 10MeV).
Palivo v podobe palivových kaziet je umiestnené v tlakovej nádobe reaktora, do ktorého prúdi chemicky upravená voda. Voda preteká kanálikmi v palivových kazetách a odvádza teplo, ktoré vzniká pri štiepnej reakcii. Voda z reaktora vystupuje s teplotou asi 297°C a prechádza horúcou vetvou primárneho potrubia do tepelného výmenníka - parogenerátora. V parogenerátore preteká zväzkom rúrok a odvádza teplo vode, ktorá je privádzaná zo sekundárneho okruhu s teplotou 222°C. Ochladená voda primárneho okruhu sa vracia späť do aktívnej zóny reaktora.
Voda sekundárneho okruhu sa v parogenerátore odparuje a cez parný kolektor sa para odvádza na lopatky turbín. Hriadeľ turbíny je mechanicky spojený s rotorom generátora, ktorý je budený budičom jednosmerného napätia. Vďaka tomu tam vzniká magnetické pole a na troch statorových cievkach generátora sa tam následne indukuje striedavé napätie 15,6 kV.
Transformátor, elektrický netočitý stroj, premieňa – transformuje vyrobené napätie 15,6 kV na napätie vysoké alebo veľmi vysoké (110 kV alebo 400 kV).
Para sa kondenzuje v kondenzátore, tepelnom výmenníku, a vracia sa späť do parogenerátora vo vodnom skupenstve.
Platí rovnica:
Počet neutrónov vzniknutých z prechádzajúceho štiepenia = Počet uniknutých(stratených) neutrónov + Počet neutrónov, ktoré vyvolajú nové štiepenia + Počet neutrónov zachytených v konštr. materiáloch, moderátore, absorbátore.Jadrový reaktor sa počas prevádzky nachádza v troch stavoch:
a) podkritický stav
Multiplikačný koeficient < 1
Počet predchádzajúcich štiepení > Počet nasledujúcich štiepení
Dôsledok - znižovanie počtu štiepení, znižovanie počtu voľných neutrónov, znižovanie výkonu reaktora
b) kritický stav
Multiplikačný koeficient = 1
Počet predchádzajúcich štiepení = Počet nasledujúcich štiepení
Dôsledok - stabilizovaný stav, stabilizovaný výkon reaktora
c) nadkritický stav
Multiplikačný koeficient > 1
Počet predchádzajúcich štiepení < Počet nasledujúcich štiepení
Dôsledok - zvyšovanie počtu štiepení, zvyšovanie počtu voľných neutrónov, zvyšovanie výkonu reaktora
Na reguláciu rýchlosti štiepenia sa používa tzv. moderátor napr. ťažká voda, grafit, berýlium a absorbátor napr. H3BO3 (kyselina boritá).
Energia, ktorá zo štiepnej reakcie vzíde, výrazne zvyšuje kinetickú energiu molekúl vody či oxidu uhličitého v primárnom chladiacom okruhu. Tá sa pri výmene tepla vo výmenníku prenáša na vodu či oxid uhličitý v sekundárnom okruhu. V dôsledku toho sa táto voda mení na paru s obrovskou Ek a svojou vlastnou silou roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor.
Špeciálne účely Reaktory môžu byť konštruované aj odlišne od štandardných energetických reaktorov. Napríklad: letecký na pohon lietadiel experimentálne reaktory, napríklad tokamak JT-60SA za účelom ožarovania iných látok a ich premeny, napríklad bezvodný reaktor Chicago Pile-1 pre overenie výroby plutónia kozmický termoemisný reaktor, napríklad TOPAZ (nezamieňať s rádioizotopovým termoelektrickým generátorom)
Typy jadrových reaktorov
Existuje viacero kritérií, na základe ktorých sa jednotlivé typy jadrových reaktorov od seba líšia. Ide napr. o rozdelenie: Podľa typu jadrovej reakcie: Reaktory s tepelnými neutrónmi Reaktory s rýchlymi neutrónmi (nemajú moderátor, vyžadujú vyššie obohatenie paliva) Podkritický reaktor riadený urýchľovačom (angl. ADSR) Fúzne reaktory (zatiaľ len teoretické, vo výstavbe je projekt ITER
Podľa druhu moderátora: Grafitom-moderované reaktory Vodou-moderované reaktory Ľahkovodné reaktory (LWR) Ťažkovodné reaktory Reaktory moderované ľahkými prvkami Moderátor roztavená soľ (MSR) Moderátor tekutý kov (BeO)
Podľa chladiva: Tlakové reaktory (PWR) Varné reaktory (BWR) Plynom chladné reaktory (AGR v Spojenom kráľovstve) Chladené kvapalným kovom (Topaz, kozmický jadrový reaktor)
Podľa generácie: V súčasnosti sú známe 4 generácie reaktorov, I. predstavuje úplné začiatky a prvé výskumné reaktory, II. väčšinu svetových reaktorov, ktoré vznikali medzi rokmi 1965-1999, III. technické vylepšenia II. generácie po roku 1996 a III+. generácia ďalšie vylepšenia po roku 2017.
Bezpečnosť náhľad|Schéma reaktora RBMK – varného, grafitom moderovaného a vodou chladeného reaktora, ktorý bol využitý napr. v Černobyle. Základný princíp bezpečnosti jadrových reaktorov a celých jadrových elektrární je založený na tzv. princípe ochrany do hĺbky. Ochrana do hĺbky je u prevádzkovaných elektrární založená na 4 fyzických bariérách a 5 úrovniach ochrany. Moderné bezpečnostné štandardy, pravidelne sa sprísňujúce po jadrových haváriách na Three Mile Island, v Černobyli a Fukušime, požadujú potrebu zabezpečenia jadrových elektrární voči možnému úniku rádioaktívneho odpadu do okolia. Bežný jadrový reaktor, napr. typ VVER-440, využívaný na Slovensku, má štyri úrovne bariér: Prvou bariérou úniku radiácie je obal palivových článkov Druhou bariérou je tlaková nádoba Treťou bariérou je samotná ochranná nádoba, v ktorej je reaktor uložený alebo tlakový systém primárneho okruhu. Pri úniku chladiaceho média z primárneho okruhu by vzniklo množstvo rádioaktívnej pary. Jej úniku do okolia bráni ochranná nádoba. Štvrtou bariérou je tzv. kontajnment, cca 1,5 m hrubá betónová konštrukcia, ktorej funkciu pri elektrárňach VVER-440 spĺňa obal primárneho okruhu, t.j. hermetické boxy spolu s barbotážnou vežou.
Pozri aj Moderátor neutronov Jadrová elektráreň Jadrová energia Regulačná tyč
Referencie
Iné projekty
Kategória:Jadrová technológia Kategória:Jadrová energia