Jadrový reaktor

Prvý jadrový reaktor bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrika Fermiho.Prvá energetická jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v r. 1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5MW. Do r. 2000 bolo postavených viac ako 340 jadrových elektrárni a ďalšie sú naplánované. 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 uvoľnovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov.Energia sa získava najčastejšie štiepením izotopov uránu, tória alebo plutónia (prvky s vysokým atómovým číslom). V dnešných jadrových elektrárňach sa väčšinou štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit).Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. z uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1g 235U vznikne úplným štiepením až 75600 MJ tepelnej energie.

Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju bezpečne riadiť a regulovať. Až sa podarí vedcom zvládnuť riadenie priebehu termonukleárnej reakcie - fúzie, získa človek nevyčerpateľný zdroj energie.Časti jadrového reaktora1) palivo – palivové články (obohatený 235U, 238U alebo 242Pu či neptúnium)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)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 či 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 prevažne z grafitu; dokáže odrážať neutróny)6) betónové tienenie (chráni okolie jadrového reaktora v prípade havárie, straty kontroly nad štiepnou reakciou a následným únikom rádioaktívneho žiarenia)Princíp činnostiV jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používajú izotopy uránu - 235U, 238U alebo plutónia - 242Pu.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).Najväčší diel uvoľnenej energie odnášajú fragmenty, ktorých kinetická energia sa zrážkami s inými atómami znižuje a uvoľňuje v podobe tepla. Táto energia sa teplonosnou látkou napr. H2O, CO2 odvádza do výmenníka tepla (parogenerátora) a z neho do parnej turbíny.Časť voľných neutrónov je zachytených v štiepnom meteriáli, ktoré zabezpečujú kontinuitu procesu, časť v konštrukčných materiáloch - obal palivového prútika, nádoba reaktora,... a časť v moderátore a absorbátore.Platí rovnica:Počet neutrónov vzniknutých z prechádzajúceho štiepenia = 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 Počet nasledujúcich štiepení •Dôsledok - znižovanie počtu štiepení, znižovanie počtu voľných neutrónov, znižovanie výkonu reaktora b) kritický stav•Multiplikačný koeficient = 1 •Počet predchadzajúcich štiepení = Počet nasledujúcich štiepení •Dôsledok - stabilizovaný stav, stabilizovaný výkon reaktora c) nadkritický stav•Multiplikačný koeficient> 1 •Počet predchadzajúcich štiepení