Jedrski reaktor

Sredica majhnega jedrskega reaktorja, ki se uporablja za raziskave

Jêdrski reáktor je naprava, v kateri poteka nadzorovana cepitev uranovih ali plutonijevih jeder. Reaktorji so zasnovani tako, da se reakcija vzdržuje sama na nadzorovan način v nasprotju z jedrske eksplozije, kjer se verižna reakcija zgodi v delcu sekunde.

Jedrski reaktorji se uporabljajo za veliko namenov. Najbolj značilna uporaba je proizvodnja električne energije. Raziskovalni reaktorji se uporabljajo za izdelavo izotopov in za poskuse s prostimi nevtroni. Včasih je bila prva naloga jedrskih reaktorjev proizvodnja plutonija za jedrsko orožje. V vojski se uporablja tudi za pogon podmornic ali ladij.

Trenutno vsi komercialni reaktorji temeljijo na jedrski cepitvi, zato veljajo za problematične glede zdravja in varnosti. Nekateri pa jedrsko energijo štejejo za varno in čisto metodo proizvodnje elektrike. Fuzijska energija je poskusna tehnologija, ki temelji na zlivanju jeder. Obstajajo tudi druge jedrske naprave, kjer se jedrske reakcije odvijajo na nadzorovan način. Med te sodijo radioizotopni termoelektrični generatorji in atomske baterije, ki ustvarjajo toploto in energijo z izkoriščanjem pasivnega radioaktivnega razpada, kot tudi Farnsworth-Hirschovi fuzorji, kjer se nadzorovano jedrsko zlivanje uporablja za proizvodnjo nevtronskega sevanja.

Glavne komponente

• Jedrsko gorivo - med goriva štejemo izotope, katerih jedra cepijo že termični nevtroni, običajno so uporabljeni ²³³U, ²³⁵U in ²³⁹Pu;
• Razredčila - razredčila samo cepijo hitre nevtrone, v reaktorju pa so prisotna bodisi kot balast (npr. ²³⁸U), ker je proizvodnja čistega goriva predraga, bodisi so dodana namenoma (npr. ²³²U) za proizvodnjo novega goriva, kar je izrabljeno predvsem pri hitro oplodnih reaktorjih;
• Moderator - z moderatorjem se upočasni nevtrone na termično območje, s čemer se poveča verjetnost za razcep ²³⁵U, največkrat pa so uporabljeni voda (75 % vseh reaktorjev na svetu), težka voda (D₂O; 5 % vseh reaktorjev na svetu), berilij, berilijev oksid (BeO) in grafit (20 % vseh reaktorjev na svetu);
• Strukturni elementi - običajno so aluminij, cirkonij in nerjaveče jeklo, imeti pa morajo dobre mehanske, toplotne in antikorozijske lasnosti ter morajo absorbirati čim manj nevtronov;
• Hladila - običajno so uporabljeni vodik, voda, težka voda, natrij, bizmut in živo srebro, imeti pa morajo dobre toplotne lastnosti in morajo absorbirati čim manj nevtronov.
• Kontrolne palice - s pomočjo kontrolnih palic se regulira fluks (pretok) nastalih nevtronov pri cepitvah, ki niha okoli ravnovesne lege med eksponentnim naraščanjem (eksplozija) in padanjem (ugašanjem); običajno se uporabljajo kadmij srebro in indij, lahko pa se uporablja tudi druge elemente z velikim presekom za zajetje nevtronov, kot so bor, kobalt, evropij, hafnij, disprozij, gadolinij, samarij ter njihove zlitine in zmesi.

Uporaba

• Jedrska energija:
  • toplota za proizvodnjo električne energije
  • toplota za domače in industrijsko ogrevanje
  • razsoljevanje
• Jedrski pogon:
  • pogon jedrskih podmornic
  • predlagane jedrske termalne rakete
• Transmutacija elementov:
  • proizvodnja plutonija, pogosto za uporabo v jedrskem orožju
  • ustvarjanje različnih radioaktivnih izotopov, kot so americij v detektorjih dima ter kobalt-60, molibden-99 in ostali, ki se uporavljajo za slikanje in zdravstvo.
• V raziskavah:
  • pridobivanje vira nevtronskega in pozitronsko sevanje pozitronskega sevanja (npr. za kalij-argonovo datiranje)
  • razvoj jedrske tehnologije

Vrste jedrskih reaktorjev

Namembnost

• Energetski reaktorji - za proizvodnjo toplote, večinoma za pretvorba toplote v delo|pretvorbo toplote v električno energijo
• Produkcijski reaktorji - za proizvodnjo plutonija za atomske bombe
• Dvonamenski reaktorji - za proizvodnjo energije in plutonija
• Raziskovalni reaktorji

Za proizvodnjo plutonija, primernega za bombe, mora biti omogočeno zelo pogosto menjavanje goriva. Najpogostejši energetki reaktorji (tlačno- ali vrelo-vodni) ne dajejo dovolj čistega cepljivega plutonija, ker se gorivo menja občasno, na 12 do 18 mesecev. Pogostejša menjava goriva je možna pri reaktorjih tipa CANDU, RBMK in produkcijskih reaktorjih. Pri čisto produkcijskih reaktorjih proizvedeno toplotno energijo zavržejo kot odpadno toploto.

Tehnične razlike

Obstajata dve osnovni vrsti reaktorjev, ki se razlikujeta po energijskem spektru, oziroma po hitrosti nevtronov:

• Termični (počasni) reaktorji
• Hitri reaktorji

Pri termičnem reaktorju je potrebno nevtrone s pomočjo moderatorja upočasniti iz hitrega v termično območje. Obstajata dva tipa termičnega reaktorja, in sicer homogen tip, kjer je uranova sol raztopljena v vodi kot moderatorju, ter heterogeni tip, kjer so uranove palice vstavljene v vodo ali grafit.

Pri hitrih reaktorjih je kot gorivo uporabljen ²³⁵U, ki ga cepijo v glavnem že nevtroni v hitrem in srednjem območju hitrosti. Dobri strani tovrstnega reaktorja sta njegova majhnost in s tem olajšan prenos v težko dostopna območja ter veliko število razpoložljivih nevtronov (saj se ne izgubljajo v ostalih sestavinah reaktorja), slabi strani pa drago gorivo (zaradi procesa ločevanja oz. separacije ²³⁵U od uranske mešanice pri njegovi proizvodnji ter povečana nevarnost eksplozije.

Obstoječe družine jedrskih reaktorjev

• Tlačnovodni reaktor (PWR)
• Vrelovodni reaktor (BWR)
• Težkovodni reaktor (PHWR ali CANDU)
• Kanalni reaktor velike moči (RBMK)
• Reaktor hlajen s plinom (HTGR, AGR, GCR (Magnox), zgodnji produkcijski reaktorji hlajeni z zrakom (Hanford), moderator je grafit, poskusno tudi težka voda)
• Hitri oplodni reaktor (FBR ali SNR)

Jedrski reaktorji v Sloveniji

• Raziskovalni reaktor TRIGA - Deluje od leta 1966, največja moč 250 kW, gorivo obogaten uran (do 20 % ²³⁵U), masa goriva 2,3 kg, moderator cirkonijev hidrid, hladilo navadna voda, 4 palice iz borovega karbida za regulacijo moči.
• Jedrska elektrarna Krško - Deluje od leta 1981; reaktor v Jedrski elektrarni Krško je tlačnovodnega tipa. Največja moč je 696 MW, gorivo je obogaten uran (2,1-4,95 utežnih odstotkov ²³⁵U), masa goriva je okoli 50 t, gorivnih elementov je 121, moderator demineralizirana voda, 33 snopov po 20 palic iz zlitine srebra, indija in kadmija za regulacijo moči.