Jedrski reaktor

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
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[uredi | uredi kodo]

  • Jedrsko gorivo - med goriva štejemo izotope, katerih jedra cepijo že termični nevtroni, običajno so uporabljeni 233U, 235U in 239Pu;[1]
  • 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;[1]
  • 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);[1][2]
  • Strukturni elementi - običajno so aluminij, cirkonij in nerjaveče jeklo, imeti pa morajo dobre mehanske, toplotne in antikorozijske lasnosti ter morajo absorbirati čim manj nevtronov;[1]
  • 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.[1]
  • 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[1] 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[uredi | uredi kodo]

Vrste jedrskih reaktorjev[uredi | uredi kodo]

Namembnost[uredi | uredi kodo]

  • 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 energetski reaktorji (tlačno- ali vrelovodni) ne dajejo dovolj čistega cepljivega plutonija, ker se gorivo menja občasno, v razmikih od 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[uredi | uredi kodo]

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

  • Termični (počasni) reaktorji - skoraj vsi komercialni reaktorji za proizvodnjo električne energije
  • Hitri reaktorji - zaenkrat še v fazi testiranja, primeri BN-600, BN-1200

Oznaka termični nima zveze s temperaturo nevtronov, je samo termin, ki se uporablja. 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.[3]

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.[3]

Obstoječe družine jedrskih reaktorjev[uredi | uredi kodo]

Obstaja veliko vrst jedrskih reaktorjev, nekateri reaktorji spadajo v več kategorij hkrati in je klasifikacija malce zapletena:

  • Tlačnovodni reaktor (PWR), (APWR-advanced PWR) - večina komercialnih reaktorjev je tega tipa (dva cikla hlajenja)
  • Vrelovodni reaktor (BWR) (ABWR-advanced BWR), hlajen v enem ciklum z vodo ki vre, drugače podoben tlačnovodnemu
  • Reakto hlajen s superkritično vodo (SCWR) z enim ciklovm hlajenja kot BWR, vendar vode ne vre (v tem segmentu bolj podoben PWR), večji izkoristek
  • Težkovodni reaktor (PHWR ali CANDU) - lahko uporablja naravni uran (neobogateni) in se lahko menja gorivo v obratovanjem
  • Kanalni reaktor velike moči (RBMK) - ruski dizajn, lahko menja gorivo med obratovanjem. uporablja manj obogateno gorivo kot drugi reaktorji
  • 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) za generiranje več jedrskega goriva kot se porani
  • Hitri reaktor za "zažiganje" (ang. burn) oziroma transmutacijo porabljenega jedrskega goriva, s čimer ze zmanjša količina visokoradiokativnih odpadkov

Tlačnovodni reaktor, vrelovodni reaktor, SCWR in RBMK so hlajeni z navadno (light) vodo in spadajo v kategorijo lahkovodnih reaktorjev (ang. Light Water Reactor - LWR). Medtem, ko je CANDU (PHWR) hlajen z težko vodo (HWR - Heavy Water Reactor) - težka voda ima izotop devterij, ki je težji do enoatomenga vodika, zato oznaka težka voda).

Večina oplodnih reaktorjev je hitrih, obstajajo pa tudi termičnoplodni reaktorji, tak je npr. (AHWR - Advanced Heavy Water Reactor), ki proizvaja cepilni U233 iz torija.

Angleške oznake:

  • PWR - Pressurized Water Reactor
  • BWR - Boiling Water Reactor
  • PHWR - Pressurized Heavy Water Reactor isto kot CANDU - Canadian Deuterium Uranium reactor
  • SCWR - Super Crititical Water Reactor
  • HWR - Heavy Water Reactor
  • LWR - Light Water Reactor

GEN III Reaktorji[uredi | uredi kodo]

Novejši reaktorji, v gradnji oziroma fazi načrtovanja, CPR1000 in ABWR že obratujeta. Skoraj vsi so (LWR) lahkovodni reaktorji (izjema CANDU). Noben od spodaj naštetih ni hiter reaktor in edini oplodni reaktor je (AHWR).

GEN III[uredi | uredi kodo]

GEN III v fazi načrtovanja[uredi | uredi kodo]

GEN III+[uredi | uredi kodo]

Generacija III+ ponuja veliko izboljšav v varnosti, obratovanju in ekonomičnosti [6]

GEN IV Reaktorji[uredi | uredi kodo]

Glavni članek: Reaktorji IV generacije.

Najnovejši reaktorji, ki naj bi začeli obratovati komercialno po letu 2030

Reaktorji na termične nevtrone:

  • Visoko temperaturni reaktor (VHTR) (Very High Temperature Reactor) - večje temperature za večji izkoristek
  • Reaktor na tekočo sol (MSR) (Molten Salt Reactor) prednost je hlajenje pri nizkem tlaku,
  • Reaktorji hlajeni s superkritično vodo (SCWR) (Super Critical Water Reactor) večji izkoristek zaradi višjih temperatur in tlakov
  • Oplodni reaktor hlajen s tekočim fluoridom (LFTR) (Liquid Fluoride Thorium Reactor) termalni oplodni reaktor za pridobivanje cepilnega U233 iz torija

Reaktorji na hitre nevtrone:

  • Plinsko hlajeni hitri reaktor (GFR) (Gas cooled Fast Reactor) Hlajen z helijem
  • Hitri reaktor hlajen z natrijem (SFR) (Sodium cooled Fast Reactor)
  • Hitri reaktor hlajen s svincem (LFR) (Lead cooled Fast Reactir)

Vsi trije reaktorji na hitre nevtrone so lahko oplodni ali delujejo v "burn" načina zažiganja, kjer tansmutirajo aktinide v manj radioaktivne izotope.

GEN V+ Reaktorji[uredi | uredi kodo]

Glavni članek: Reaktorji V+ generacije.

Jedrski reaktorji v Sloveniji[uredi | uredi kodo]

  • 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. Ime TRIGA je akronim za (Training, Research, Isotopes, General Atomic)
  • 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.

Opombe in reference[uredi | uredi kodo]

  1. ^ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Rosina, M. (1981). Jedrska fizika. Ljubljana: Društvo matematikov, fizikov in astronomov SRS, str. 238-239.
  2. ^ Miller jr., G.T. (2002). Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions, 12. izdaja. Belmont: The Thomson Corporation. str. 345. ISBN 0-534-37697-5. 
  3. ^ 3,0 3,1 Rosina, Jedrska fizika, 1981, str. 238.
  4. ^ https://archive.is/20120730191420/www.eia.doe.gov/cneaf/nuclear/page/analysis/nucenviss2.html%23_ftn4
  5. ^ "Nuclear Power in a warming world.". Dec 2007. 
  6. ^ http://www.gnep.energy.gov/pdfs/FS_GenIV.pdf DEAD URL - Try http://nuclear.energy.gov/pdfFiles/factSheets/NGNP-GENIV-Final-Jan31-07.pdf