Jedrski reaktor

Temeljno načelo jedrske verižne reakcije je:

• Atom urana 235 absorbira nevtron, ki povzroči njegovo cepitev (jedrska cepitev);
• pri cepitvi se sprostijo energija (200 MeV) in povprečno 2–3 novi nevtroni;
• ti lahko sprožijo nove cepitve.

Procesu pravimo jedrska verižna reakcija in poteka v jedrskem reaktorju. V reaktorju ta proces nadzorujemo, saj od novonastalih nevtronov pri cepitvi natanko eden povzroči novo cepitev urana 235.

V reaktorju torej poteka nadzorovana jedrska verižna reakcija.

Verižne reakcije pa ne ohranjajo vedno nevtroni, ki nastanejo pri cepitvah. Majhen delež nevtronov, okoli 0,6 %, ne nastane neposredno pri cepitvi, temveč pri radioaktivnih razpadih cepitvenih produktov. Te nevtrone imenujemo zakasneli nevtroni, saj nastanejo tudi 10 sekund po cepitvi, in čeprav pomenijo le majhen del, imajo ključno vlogo pri nadzorovani verižni reakciji.

Cepitveni produkti so jedra, ki nastanejo ob cepitvah urana ter so radioaktivni in razpadajo z različnimi razpadnimi časi. V sredici jedrskega reaktorja, ki obratuje daljše obdobje, se kot rezultat cepitve in radioaktivnega razpada vzpostavi značilna uravnotežena izotopska sestava. Nekateri najpogostejši cepitveni produkti – radioaktivni izotopi, ki nastajajo z obratovanjem reaktorja, so: ksenon, kripton, jod, cezij, stroncij, barij itd.

Radioaktivni izotopi, ki nastajajo pri cepitvah, se zadržujejo v gorivnih elementih, pri tem pa oddajajo radioaktivno sevanje. Energijo, ki se sprošča pri radioaktivnem razpadu, imenujemo zakasnela toplota.

Ta je odvisna od časa obratovanja reaktorja pred zaustavitvijo. Dlje ko je reaktor obratoval pred zaustavitvijo, več dolgoživih izotopov se je nakopičilo v sredici in počasneje se bo zmanjševala s časom.

Vsaka jedrska elektrarna ima sisteme za odvajanje zaostale toplote.

Radioaktivno sevanje je posledica nestabilnosti jeder, ki oddajo presežek svoje energije in postajajo stabilnejša. Ta proces imenujemo radioaktivni razpad.

Pri radioaktivnem razpadu izgubi jedro energijo tako, da nevtron spremeni v proton in odda elektron. Sevanje elektronov imenujemo sevanje beta. Preostanek energije po tej spremembi pa se izseva v obliki žarkov gama.

Sevanje gama je elektromagnetno valovanje z večjo energijo. Energija žarkov gama je podobna energiji rentgenskega sevanja, vendar je energija žarkov gama še večja. Pred žarki gama se ščitimo z betonskimi stenami, ščiti iz gostejših elementov, kot je npr. svinec, v bazenih z izrabljenim gorivom pa je ščit voda.

Težja jedra, kot sta npr. uran in plutonij, pa sevajo večje delce, ki so sestavljeni iz dveh protonov in nevtronov; to je sevanje alfa. Delci beta in alfa imajo električni naboj, ki povzroča ionizacijo snovi okrog sebe, tako da v njej tudi hitro izgubijo svojo kinetično energijo in se ustavijo. Delce alfa zaustavi že povrhnjica kože ali list papirja, delce beta pa npr. debela plastična folija ali plast aluminija.

Vse to so ionizirajoča sevanja – pogovorno se uporablja izraz radioaktivno sevanje. Človeška čutila jih ne zaznajo, instrumenti pa lahko sevanje zanesljivo zaznajo in natančno izmerijo.

Nadzor verižne reakcije v sredici oziroma moči reaktorja je stalna in prednostna naloga. Tehnične rešitve, postopki, procesi in nenazadnje tudi naravne zakonitosti zagotavljajo, da so možnosti nenadzorovanega povišanja moči reaktorja, zaradi česar bi bila možna poškodba goriva zaradi pregrevanja, izjemno majhne.

Moč reaktorja uravnavajo regulacijski sistemi, kot so regulacijske palice in sprememba bora v primarnem hladilu. Pri tem pomagajo tudi naravne lastnosti goriva v reaktorju, saj vsako povečanje moči sproži učinke zaviranja nadaljnje rasti moči – pravimo, da je reaktor inherentno varen.

V elektrarni so projektirane tudi samodejne zaščite. To so tiste zaščite, ki v trenutku prekinejo verižno reakcijo v reaktorju in s tem proizvodnjo toplote, če kateri od osrednjih parametrov doseže mejno vrednost (tlak, temperatura, moč, pretok hladila). Stabilnost moči reaktorja in s tem varnost obratovanja sta tako zagotovljeni z vrsto ukrepov.

Jedrski reaktorji se razlikujejo glede na vrsto goriva, hladila in moderatorja. Kot hladilo se uporabljajo:

• navadna voda,
• težka voda,
• plin in
• tekoča kovina.

Največ reaktorjev za hlajenje uporablja navadno vodo (lahkovodni reaktor). Glede na način pridobivanja pare poznamo tlačnovodni in vrelni reaktor.

Tlačnovodni reaktor (PWR – Pressurized Water Reactor)

Je najbolj razširjen tip reaktorja, saj ima tlačnovodni reaktor več kot polovica obratujočih jedrskih elektrarn. Njihovo gorivo je obogateni uran. Tudi reaktor NEK je tlačnovodni.

Hladilna voda (primarni hladilni krog) je v reaktorski posodi pod visokim tlakom, ki je večji od nasičenega parnega tlaka, zato se reaktorsko hladilo ne more upariti. Šele na sekundarni strani uparjalnika se zaradi nižjega tlaka sekundarno hladilo uparja. Para poganja turbino, kjer opravi delo, nakar se utekočini v kondenzatorju in vrača v uparjalnik. Pri tlačnovodnem reaktorju sta primarni in sekundarni hladilni krog ločena.

Vrelni reaktor (BWR – Boiling Water Reactor)

Petina obratujočih jedrskih elektrarn ima vrelni reaktor. Gorivo je obogateni uran. V reaktorski posodi vrelnega reaktorja je manjši tlak kot v tlačnovodnih reaktorjih. Zanje je značilno, da se voda uparja pri prehodu skozi reaktor in gre neposredno v turbino, kjer se po opravljenem delu kondenzira in vrne v reaktorsko posodo. Ker vrelni reaktor nima uparjalnikov, je v primerjavi s tlačnovodnim njegova sestava enostavnejša.

Težkovodni reaktor (PHWR – Pressurized Heavy Water Moderated Reactor) ali CANDU-reaktor

Težkovodni reaktorji se moderirajo s težko vodo, hladijo pa lahko tudi z navadno vodo. Težka voda je boljši moderator od lahke vode, vendar je takšno obratovanje reaktorja dražje. Njegova prednost je, da omogoča uporabo naravnega neobogatenega urana. Voda v reaktorju ne vre, v uparjalniku pa se uparja sekundarna voda.

Plinski reaktor (GCR – Gas Cooled Reactor, AGR – Advanced Gas Cooled Reactor)

Plinski reaktorji se moderirajo z grafitom in hladijo s plinom CO₂. Hlajenje s plinom omogoča visoke temperature, kar ugodno vpliva na termodinamični izkoristek elektrarne. Plin pod visoko temperaturo segreva vodo, ki se uparja in poganja turbino. Kot gorivo uporabljajo naravni ali obogateni uran v obliki kovine.

Vodno hlajeni (grafitno moderirani) reaktor (LWGR – Light Water Cooled Graphite Moderated Reactor) ali RBMK-reaktor

Ti reaktorji se moderirajo z grafitom in hladijo z navadno vodo. Njihova posebnost je, da nimajo klasične reaktorske posode, temveč jih sestavlja več kot 1000 cevovodov, ki potekajo skozi grafit – moderator, v njih pa so gorivo ter regulacijske palice. Gorivo je obogateni uran.