Zařízení a princip činnosti jaderného reaktoru jsou založeny na inicializaci a řízení samoudržující jaderné reakce. Používá se jako výzkumný nástroj pro výrobu radioaktivních izotopů a jako zdroj energie pro jaderné elektrárny.
Jaderný reaktor: jak to funguje (stručně)
Využívá se zde proces jaderného štěpení, při kterém se těžké jádro rozpadne na dva menší fragmenty. Tyto fragmenty jsou ve vysoce excitovaném stavu a emitují neutrony, další subatomární částice a fotony. Neutrony mohou způsobovat nové štěpení, v důsledku čehož je emitováno více neutronů a tak dále. Taková kontinuální samoudržující série štěpení se nazývá řetězová reakce. Zároveň se uvolňuje velké množství energie, jejíž výroba je účelem využití jaderných elektráren.
Princip činnosti jaderného reaktoru a jaderné elektrárny je takový, že asi 85 % energie štěpení se uvolní během velmi krátké doby po zahájení reakce. Zbytek se vyrábí vvýsledek radioaktivního rozpadu štěpných produktů poté, co emitovaly neutrony. Radioaktivní rozpad je proces, při kterém atom dosáhne stabilnějšího stavu. Pokračuje i po dokončení dělení.
V atomové bombě se řetězová reakce zvyšuje na intenzitě, dokud se většina materiálu nerozdělí. To se děje velmi rychle a způsobuje extrémně silné exploze charakteristické pro takové bomby. Zařízení a princip činnosti jaderného reaktoru jsou založeny na udržování řetězové reakce na řízené, téměř konstantní úrovni. Je navržen tak, aby nemohl explodovat jako atomová bomba.
Řetězová reakce a kritičnost
Fyzika jaderného štěpného reaktoru spočívá v tom, že řetězová reakce je určena pravděpodobností jaderného štěpení po emisi neutronů. Pokud se populace posledně jmenovaných sníží, pak rychlost štěpení nakonec klesne na nulu. V tomto případě bude reaktor v podkritickém stavu. Pokud je populace neutronů udržována na konstantní úrovni, pak rychlost štěpení zůstane stabilní. Reaktor bude v kritickém stavu. A konečně, pokud populace neutronů časem poroste, rychlost štěpení a výkon se zvýší. Jádro se stane superkritickým.
Princip činnosti jaderného reaktoru je následující. Před jeho startem se populace neutronů blíží nule. Operátoři poté odstraní regulační tyče z jádra, čímž zvýší jaderné štěpení, které se dočasně přenesereaktor do superkritického stavu. Po dosažení jmenovitého výkonu operátoři částečně vrátí regulační tyče a upraví počet neutronů. V budoucnu je reaktor udržován v kritickém stavu. Když je potřeba zastavit, obsluha tyče zcela zasune. To potlačuje štěpení a přivádí jádro do podkritického stavu.
Typy reaktorů
Většina světových jaderných zařízení vyrábí energii, generuje teplo potřebné k otáčení turbín, které pohánějí generátory elektrické energie. Existuje také mnoho výzkumných reaktorů a některé země mají ponorky nebo hladinové lodě s jaderným pohonem.
Elektrárny
Existuje několik typů reaktorů tohoto typu, ale lehkovodní design našel široké uplatnění. Na druhou stranu může používat tlakovou vodu nebo vroucí vodu. V prvním případě se kapalina pod vysokým tlakem zahřívá teplem aktivní zóny a vstupuje do parogenerátoru. Tam je teplo z primárního okruhu předáváno sekundárnímu okruhu, který také obsahuje vodu. Nakonec vytvořená pára slouží jako pracovní tekutina v cyklu parní turbíny.
Vroucí reaktor funguje na principu přímého energetického cyklu. Voda procházející aktivní zónou je přivedena k varu na úrovni průměrného tlaku. Nasycená pára prochází řadou separátorů a sušiček umístěných v nádobě reaktoru, které ji přivádějí dopřehřátý stav. Přehřátá vodní pára se pak používá jako pracovní tekutina k otáčení turbíny.
Vysokoteplotní chlazení plynem
High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) je jaderný reaktor, jehož princip fungování je založen na použití směsi grafitu a mikrokuliček paliva jako paliva. Existují dva konkurenční návrhy:
- Německý „plnicí“systém, který používá kulové palivové články o průměru 60 mm, které jsou směsí grafitu a paliva v grafitovém plášti;
- Americká verze ve formě grafitových šestihranných hranolů, které do sebe zapadají a tvoří aktivní zónu.
V obou případech se chladicí kapalina skládá z helia o tlaku asi 100 atmosfér. V německém systému prochází helium mezerami ve vrstvě kulových palivových článků a v americkém systému otvory v grafitových hranolech umístěných podél osy centrální zóny reaktoru. Obě možnosti mohou pracovat při velmi vysokých teplotách, protože grafit má extrémně vysokou sublimační teplotu, zatímco helium je zcela chemicky inertní. Horké helium může být aplikováno přímo jako pracovní tekutina v plynové turbíně při vysoké teplotě, nebo jeho teplo může být využito k výrobě vodní páry.
Jaderný reaktor na kapalné kovy: schéma a princip činnosti
Reaktory rychlých neutronů se sodíkovým chladivem získaly velkou pozornost v 60. a 70. letech 20. století. Pakzdálo se, že jejich schopnost reprodukovat jaderné palivo v blízké budoucnosti je nezbytná pro výrobu paliva pro rychle se rozvíjející jaderný průmysl. Když se v 80. letech ukázalo, že toto očekávání je nereálné, nadšení vyprchalo. Řada reaktorů tohoto typu však byla postavena v USA, Rusku, Francii, Velké Británii, Japonsku a Německu. Většina z nich běží na oxid uraničitý nebo jeho směs s oxidem plutoničitým. Ve Spojených státech však největší úspěch zaznamenala kovová paliva.
CANDU
Kanada zaměřila své úsilí na reaktory využívající přírodní uran. Tím odpadá nutnost jeho obohacování se uchýlit ke službám jiných zemí. Výsledkem této politiky byl deuterium-uranový reaktor (CANDU). Řízení a chlazení v něm je prováděno těžkou vodou. Zařízení a princip fungování jaderného reaktoru spočívá v použití nádrže se studeným D2O při atmosférickém tlaku. Jádro je proraženo trubkami ze slitiny zirkonia s přírodním uranovým palivem, kterými jej těžká voda ochlazuje. Elektřina se vyrábí přenosem štěpného tepla v těžké vodě do chladicí kapaliny, která cirkuluje parogenerátorem. Pára v sekundárním okruhu pak prochází normálním turbínovým cyklem.
Výzkumné instalace
Pro vědecký výzkum se nejčastěji využívá jaderný reaktor, jehož principem je využití vodního chlazení alamelové uranové palivové články ve formě sestav. Schopný pracovat v širokém rozsahu úrovní výkonu, od několika kilowattů po stovky megawattů. Protože výroba energie není hlavním úkolem výzkumných reaktorů, jsou charakterizovány generovanou tepelnou energií, hustotou a nominální energií neutronů v aktivní zóně. Právě tyto parametry pomáhají kvantifikovat schopnost výzkumného reaktoru provádět konkrétní průzkumy. Nízkoenergetické systémy se obvykle používají na univerzitách pro výukové účely, zatímco vysoce výkonné systémy jsou potřeba ve výzkumných a vývojových laboratořích pro testování materiálů a výkonu a obecný výzkum.
Nejběžnější výzkumný jaderný reaktor, jehož struktura a princip činnosti jsou následující. Jeho aktivní zóna se nachází na dně velkého hlubokého bazénu vody. To zjednodušuje pozorování a umístění kanálů, kterými mohou být směrovány neutronové paprsky. Při nízkých úrovních výkonu není potřeba odvzdušňovat chladicí kapalinu, protože přirozená konvekce chladicí kapaliny zajišťuje dostatečný odvod tepla pro udržení bezpečného provozního stavu. Výměník tepla je obvykle umístěn na povrchu nebo v horní části bazénu, kde se akumuluje horká voda.
Instalace lodí
Původní a hlavní využití jaderných reaktorů je v ponorkách. Jejich hlavní výhodou ježe na rozdíl od systémů spalování fosilních paliv nepotřebují k výrobě elektřiny vzduch. Jaderná ponorka proto může zůstat ponořená po dlouhou dobu, zatímco konvenční diesel-elektrická ponorka musí pravidelně stoupat k hladině, aby nastartovala své motory ve vzduchu. Jaderná energie poskytuje lodím námořnictva strategickou výhodu. Eliminuje potřebu tankování v cizích přístavech nebo u zranitelných tankerů.
Princip činnosti jaderného reaktoru na ponorce je tajný. Je však známo, že v USA se používá vysoce obohacený uran a zpomalení a ochlazení se provádí lehkou vodou. Konstrukce prvního reaktoru jaderné ponorky USS Nautilus byla silně ovlivněna výkonnými výzkumnými zařízeními. Jeho jedinečnými vlastnostmi jsou velmi velká rezerva reaktivity, která zajišťuje dlouhou dobu provozu bez doplňování paliva a schopnost restartu po zastavení. Elektrárna v ponorkách musí být velmi tichá, aby se zabránilo detekci. Pro splnění specifických potřeb různých tříd ponorek byly vytvořeny různé modely elektráren.
Letadlové lodě amerického námořnictva používají jaderný reaktor, jehož princip je považován za vypůjčený z největších ponorek. Podrobnosti o jejich designu také nebyly zveřejněny.
Kromě USA mají jaderné ponorky Velká Británie, Francie, Rusko, Čína a Indie. V každém případě nebyl design zveřejněn, ale věří se, že jsou všechny velmi podobné - totoje důsledkem stejných požadavků na jejich technické vlastnosti. Rusko má také malou flotilu ledoborců na jaderný pohon, které mají stejné reaktory jako sovětské ponorky.
Průmyslové instalace
Pro výrobu zbrojního plutonia-239 se používá jaderný reaktor, jehož principem je vysoká produktivita s nízkou úrovní produkce energie. To je způsobeno skutečností, že dlouhý pobyt plutonia v jádře vede k hromadění nežádoucích 240Pu.
Výroba tritia
V současnosti je hlavním materiálem produkovaným takovými systémy tritium (3H nebo T), náplň pro vodíkové bomby. Plutonium-239 má dlouhý poločas rozpadu 24 100 let, takže země s arzenály jaderných zbraní využívající tento prvek ho mívají více, než potřebují. Na rozdíl od 239Pu má tritium poločas rozpadu přibližně 12 let. Aby se tedy udržely potřebné zásoby, musí se tento radioaktivní izotop vodíku vyrábět nepřetržitě. V USA má Savannah River v Jižní Karolíně například několik těžkovodních reaktorů, které produkují tritium.
Plovoucí energetické jednotky
Byly vytvořeny jaderné reaktory, které mohou poskytovat elektřinu a ohřev párou do vzdálených izolovaných oblastí. V Rusku, například, našli uplatněnímalé elektrárny speciálně navržené tak, aby sloužily arktickým komunitám. V Číně dodává elektrárna HTR-10 o výkonu 10 MW teplo a elektřinu výzkumnému ústavu, kde se nachází. Malé řízené reaktory s podobnými schopnostmi se vyvíjejí ve Švédsku a Kanadě. V letech 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktní vodní reaktory k napájení vzdálených základen v Grónsku a Antarktidě. Byly nahrazeny olejovými elektrárnami.
Průzkum vesmíru
Kromě toho byly vyvinuty reaktory pro napájení a pohyb ve vesmíru. V letech 1967 až 1988 instaloval Sovětský svaz na satelity Kosmos malá jaderná zařízení pro napájení zařízení a telemetrie, ale tato politika se stala terčem kritiky. Nejméně jeden z těchto satelitů vstoupil do zemské atmosféry, což vedlo k radioaktivní kontaminaci odlehlých oblastí Kanady. Spojené státy vypustily v roce 1965 pouze jeden satelit s jaderným pohonem. Nadále se však rozvíjejí projekty na jejich využití při letech do hlubokého vesmíru, pilotovaném průzkumu jiných planet nebo na trvalé měsíční základně. Nezbytně půjde o plynem chlazený nebo tekutý kov jaderný reaktor, jehož fyzikální principy zajistí nejvyšší možnou teplotu nutnou pro minimalizaci velikosti radiátoru. Kromě toho by měl být vesmírný reaktor co nejkompaktnější, aby se minimalizovalo množství použitého materiálustínění a snížení hmotnosti při startu a kosmickém letu. Zásoba paliva zajistí provoz reaktoru po celou dobu kosmického letu.
