- Reaktor jądrowy
- Zasada działania elektrowni jądrowej z ciśnieniowym reaktorem wodnym
- Energetyka jądrowa na świecie
Reaktor jądrowy
Reaktor jądrowy jest urządzeniem, w którym w sposób kontrolowany zachodzą łańcuchowe reakcje rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich. Reakcje te polegają na rozpadzie jądra na dwa fragmenty o zbliżonych masach, czemu towarzyszy emisja promieniowania jądrowego (głównie neutronów i promieniowania γ) i wydzielanie się znacznych ilości ciepła. Jądra powstające podczas reakcji rozszczepienia inicjują łańcuchy rozpadów promieniotwórczych, których elementy stanowią produkty rozszczepienia (gł. izotopy promieniotwórcze).
Schemat reakcji rozszczepienia jądra atomowego izotopu uranu ²³⁵U. Neutron absorbowany jest przez jądro atomowe izotopu uranu ²³⁵U, które ulega rozszczepieniu na produkty rozszczepienia (izotop kryptonu ⁹²Kr i izotop baru ¹⁴¹Ba) oraz wolne neutrony. Wikimedia.org
- reaktory termiczne (reaktory na neutronach termicznych) – wykorzystujące neutrony o niskiej energii (rzędu 10⁻² eV);
- reaktory prędkie (reaktory na neutronach prędkich) – wykorzystujące neutrony prędkie o energii rzędu 10⁻¹ eV.
Rdzeń reaktora jądrowego składa się z:
- elementów paliwowych – walcowatych prętów składających się ze szczelnej, cienkościennej rurki i umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych z paliwem jądrowym zawierającym, w celu niedopuszczenia wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku zderzeń z neutronami o małych energiach (izotopy uranu ²³⁵U, ²³³U oraz plutonu ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu);
- prętów regulacyjnych wykonanych z materiałów pochłaniających neutrony, służących do regulowania mocy reaktora; jego włączania i wyłączania;
- moderatora (reaktory termiczne) – materiału o małej masie atomowej (grafitu, ciężkiej wody, berylu), którego funkcją jest zmniejszanie energii neutronów; moderatorem może być także chłodziwo (woda, ciężka woda, ciekły sód, dwutlenek węgla, hel).
Rdzeń reaktora jądrowego. Wikimedia.org
Rdzeń z reflektorem bądź płaszczem umieszczony jest w zbiorniku ciśnieniowym otoczonym przez osłonę biologiczną (przeważnie warstwę betonu o grubości ok. 3 m), chroniącą środowisko zewnętrzne przez szkodliwym oddziaływaniem promieniowania jądrowego.
Większość reaktorów jądrowych stanowią reaktory termiczne, wśród których wyróżnia się:
- ciśnieniowe reaktory wodne (PWR, ang. Pressurized Water Reactor) – chłodziwem i moderatorem jest woda pod wysokim ciśnieniem, nie dopuszczającym do wystąpienia wrzenia w obiegu chłodzącym reaktora;
- reaktory z wrzącą wodą (BWR, ang. Boiling Water Reactor) – chłodziwem i moderatorem jest wrząca woda; para wodna powstała w reaktorze kierowana jest bezpośrednio do turbiny;
- reaktory ciężkowodne (HWR, ang. Heavy Water Reactor) – chłodziwo i moderator stanowi ciężka woda;
- reaktory gazowe – GCR (ang. Gas Cooling Reactor) i AGR (ang. Advanced Gas Cooling Reactor) z moderatorem grafitowym, chłodzone CO₂; oraz wysokotemperaturowe HTGR (ang. High Temperature Gas Cooled Reactor) z moderatorem grafitowym, chłodzone helem;
- reaktory chłodzone ciekłym metalem (LMFR, ang. Liquid Metal Fast Reactor) – reaktory prędkie chłodzone ciekłymi lub stopionymi metalami lub ich mieszaniną (rtęcią, sodem, stopem sodu z potasem, stopem ołowiu z bizmutem);
- reaktory solne (MCR, ang. Molten Salt Reactor) chłodzone stopionymi solami (głównie fluoru).
Schemat cieplny elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym: 1. Blok reaktora; 2. Komin chłodzący; 3. Reaktor; 4. Pręty kontrolne; 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia; 6. Generator pary; 7. Zbiornik paliwa; 8. Turbina; 9. Prądnica; 10. Transformator; 11. Skraplacz; 12. Stan gazowy; 13. Stan ciekły; 14. Powietrze; 15. Wilgotne powietrze; 16. Rzeka; 17. Układ chłodzenia; 18. I obieg; 19. II obieg; 20. Para wodna; 21. Pompa. Wikimedia.org
Zasada działania elektrowni jądrowej z ciśnieniowym reaktorem wodnym
Elektrownia jądrowa jest elektrownia cieplną, w której ciepło potrzebne do ogrzania czynnika roboczego uzyskuje się w wyniku łańcuchowych reakcji rozszczepiania jąder atomowych zachodzących w reaktorze jądrowym.Ciepło powstałe w procesie rozszczepiania jąder odbierane jest przez chłodziwo wodne (wodę o wysokim ciśnieniu) przepływające do wytwornicy pary, gdzie przekazywane jest wrzącej wodzie o niższym ciśnieniu, w wyniku czego powstaje gorąca, silnie sprężona para.
Para wodna powstała w wytwornicy pary zawiera dużą ilość wody w stanie ciekłym (para mokra), przechodzi więc przez systemy osuszające, co zapobiega zniszczeniu turbiny. Osuszona para wodna podlega następnie rozprężaniu, napędzając turbinę połączoną z generatorem energii elektrycznej.
Energetyka jądrowa na świecie
Energetyka jądrowa zajmuje się pozyskiwaniem energii jądrowej, która wykorzystywana jest bezpośrednio do ogrzewania lub przetwarzana na energię mechaniczną (okręty z napędem jądrowym) bądź elektryczną (elektrownie jądrowe).Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach 50-tych XX w.; dynamiczny rozwój energetyki jądrowej rozpoczął się w połowie lat 60-tych, co wynikało głównie z wysokich kosztów pozyskiwania paliw kopalnych, względów ochrony środowiska oraz ogromnej wydajności pierwiastków promieniotwórczych.
Udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi obecnie ok. 17%; niektóre kraje odchodzą od energetyki jądrowej na rzecz innych form pozyskiwania energii. Wynika to w głównej mierze z ich małej konkurencyjności ekonomicznej, ryzyka skażenia środowiska naturalnego w razie wydostania się promieniotwórczych produktów rozszczepienia na zewnątrz reaktora (katastrofa w Czarnobylu w 1986 r., katastrofa w Fukushimie w 2011 r.) oraz kwestii powstawania, transportu i składowania odpadów promieniotwórczych.
Elektrownia jądrowa. Wikimedia.org
Bibliografia
- Andrzej Strupczewski; “Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej”; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990;
- Grzegorz Jezierski; “Energia jądrowa wczoraj i dziś ”; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2014.;
- Didier Sornette, Wolfgang Kröger, Spencer Wheatley; “New Ways and Needs for Exploiting Nuclear Energy”; Springer-Verlag GmbH, 2018;
- Keith E. Holbert, Raymond Murray, ; “Nuclear Energy. An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes ”; Elsevier Ltd, Oxford, 2014.;
- Peter E. Hodgson; “Nuclear Power, Energy and the Environment ”; ICP, 1999.;
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, ; “Podstawy fizyki T. 5”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015. ;
- promil
