Nuklearni reaktor
Temeljno je načelo nuklearne lančane reakcije:
- atom uranija 235 apsorbira neutron, koji izazove njegovo cijepanje (nuklearnu fisiju)
- pri cijepanju se oslobađa energija i prosječno 2 do 3 nova neutrona
- ti neutroni mogu izazvati nova cijepanja.
Proces nazivamo nuklearnom lančanom reakcijom, a odvija se u nuklearnom reaktoru. U reaktoru taj proces kontroliramo jer od novonastalih neutrona pri cijepanju točno jedan izazove novo cijepanje uranija 235.
Dakle, u reaktoru se odvija kontrolirana lančana reakcija.
Lančanu reakciju ne održavaju uvijek neutroni nastali cijepanjima. Mali udio neutrona, oko 0,6 %, ne nastaje izravno cijepanjem, već radioaktivnim raspadima fisijskih produkata. Te neutrone nazivamo zakašnjelim neutronima jer mogu nastati čak desetak sekundi nakon cijepanja. Unatoč tome da je riječ o malom udjelu tih neutrona, oni imaju ključnu ulogu u kontroliranoj lančanoj reakciji.
Fisijski produkti su jezgre koje nastaju pri cijepanju uranija. One su radioaktivne i imaju različito vrijeme raspada. U jezgri nuklearnog reaktora koji je u pogonu dulje vremena kao rezultat cijepanja i radioaktivnog raspada uspostavlja se značajan uravnoteženi sastav izotopa. Neki najčešći fisijski produkti – radioaktivni izotopi koji nastaju tijekom pogona reaktora sljedeći su: ksenon, kripton, jod, cezij, stroncij, barij itd.
Radioaktivni izotopi koji nastaju pri cijepanju zadržavaju se u gorivnim elementima te pritom emitiraju radioaktivno zračenje. Energiju koja se oslobađa u radioaktivnom raspadu nazivamo ostatnom toplinom.
Ostatna toplina ovisi o trajanju pogona reaktora prije zaustave. Što je reaktor bio dulje u pogonu prije zaustave, više dugoživućih izotopa se nakupilo u jezgri te će se ostatna toplina sporije smanjivati.
Svaka nuklearna elektrana ima sustave za odvod ostatne topline.
Radioaktivno zračenje posljedica je nestabilnosti jezgara, koje emitiraju višak svoje energije i postaju stabilnije. Taj proces nazivamo radioaktivnim raspadom.
Kada pri raspadu jezgra gubi energiju tako da se neutron pretvori u proton i emitira elektron, takvo zračenje nazivamo beta-zračenjem. Nakon te promjene ostatak se energije zrači gama-zrakama.
Gama-zračenje je elektromagnetsko zračenje veće energije. Priroda gama-zraka slična je rendgenskim zrakama, ali ima još veću energiju. Od gama-zraka štitimo se betonskim zidovima, štitovima od gušćih elemenata, kao što je, primjerice, olovo, dok je u bazenima s istrošenim gorivom taj štit voda.
Teže jezgre, kao što su, primjerice, uranij i plutonij, zrače veće čestice sačinjene od dvaju protona i neutrona; to je alfa-zračenje. Beta- i alfa-čestice imaju električni naboj koji izaziva ionizaciju okolne tvari pa u njoj brzo gube svoju kinetičku energiju i zaustavljaju se. Alfa-zrake zaustavlja već epiderma kože ili list papira, a beta-zrake, primjerice, debela plastična folija ili sloj aluminija.
Sve to su ionizirajuća zračenja – kolokvijalno se rabi izraz radioaktivno zračenje. Ljudskim se osjetilima ne osjećaju, dok mogu instrumenti zračenje pouzdano otkriti i detaljno izmjeriti.
Nadzor lančane reakcije u jezgri, odnosno snage reaktora, stalna je i prioritetna zadaća. Tehnička rješenja, postupci, procesi, a i prirodne zakonitosti, jamče da je mogućnost nekontroliranog povećanja snage reaktora, koje bi moglo izazvati oštećenje goriva zbog pregrijavanja, iznimno mala.
Snagu reaktora reguliraju regulacijski sustavi, kao što su regulacijske palice i promjena koncentracije bora u primarnoj rashladnoj vodi. Pritom pomažu i prirodna svojstva goriva u reaktoru. Naime, svako povećanje snage aktivira učinke usporavanja daljnjeg rasta snage – to nazivamo inherentnom sigurnošću reaktora.
U elektrani su projektirane i automatske zaštite. To su one koje u trenutku prekidaju lančanu reakciju u reaktoru i time proizvodnju topline kad jedan od glavnih parametara postigne graničnu vrijednost (tlak, temperatura, snaga, protok rashladne vode). Dakle, stabilnost snage reaktora i time sigurnost pogona osigurani su nizom mjera.
Nuklearni reaktori razlikuju se po vrsti goriva, rashladne vode i moderatora. Kao rashladna voda koriste se:
- obična voda
- teška voda
- plin
- tekući metal.
Za hlađenje najviše reaktora koristi običnu vodu (lakovodni reaktor). S obzirom na način dobivanja pare poznajemo tlakovodni i vrelovodni reaktor.
Tlakovodni reaktor (PWR – Pressurized Water Reactor)
To je najrašireniji tip reaktora. Više od polovine nuklearnih elektrana u pogonu ima tlakovodni reaktor. Njegovo je gorivo obogaćeni uranij. NEK također ima tlakovodni reaktor.
Rashladna voda (primarni rashladni krug) u reaktorskoj posudi pod visokim je tlakom, koji je veći od tlaka zasićene pare, stoga reaktorska rashladna voda ne može ispariti. Tek na sekundarnoj strani parogeneratora zbog nižeg tlaka sekundarna rashladna voda isparava. Para pogoni turbinu, čime obavlja rad, zatim se ukapljuje u kondenzatoru i vraća u parogenerator. Pri tlakovodnom reaktoru primarni i sekundarni rashladni krug su odvojeni.
Vrelovodni reaktor (BWR – Boiling Water Reactor)
Petina nuklearnih elektrana u pogonu ima vrelovodni reaktor. Gorivo je obogaćeni uranij. U reaktorskoj posudi vrelovodnog reaktora tlak je manji od tlaka u tlakovodnim reaktorima. Značajno je da voda isparava tijekom prolaska kroz reaktor i odlazi izravno u turbinu, gdje se nakon obavljenog rada ukapljuje i vraća u reaktorsku posudu. S obzirom na to da vrelovodni reaktor nema parogeneratore, njegov je sastav jednostavniji od tlakovodnoga.
Teškovodni reaktor (PHWR – Pressurized Heavy Water Moderated Reactor) ili CANDU reaktor
Teškovodni reaktori moderiraju se teškom vodom, a hladiti se mogu i običnom vodom. Teška voda je bolji moderator od lake vode, ali je takav pogon reaktora skuplji. Njegova je prednost da omogućuje korištenje prirodnog neobogaćenog uranija. Voda u reaktoru ne vrije, a u parogeneratoru isparava sekundarna voda.
Plinski reaktor (GCR – Gas Cooled Reactor, AGR – Advanced Gas Cooled Reactor)
Plinski reaktori moderiraju se grafitom i hlade plinom CO2. Hlađenje plinom omogućuju visoke temperature, što povoljno utječe na termodinamičko iskorištenje elektrane. Plin pri visokoj temperaturi zagrijava vodu, koja se pretvara u paru i pokreće turbinu. Kao gorivo koristi se prirodni uranij u obliku metala.
Reaktor hlađen vodom (moderiran grafitom; LWGR – Light Water Cooled Graphite Moderated Reactor) ili RBMK reaktor
Ti reaktori se moderiraju grafitom i hlade običnom vodom. Njihova je posebnost da nemaju klasičnu reaktorsku posudu, već su sastavljeni od više od 1000 cijevi, koje prolaze kroz grafit – moderator, a u njima se nalazi gorivo i regulacijske palice. Gorivo je obogaćeni uranij.
