Reaktory jądrowe

Podstawy klasyfikacji reaktorów jądrowych

Reaktory jądrowe można podzielić biorąc pod uwagę szereg kryteriów. Oto kilka z nich:

• Energia neutronów wywołujących rozszczepienie:
• reaktor termiczny, wykorzystuje neutrony termiczne, a w każdym razie o energiach poniżej około 100 eV,
• reaktor pracujący na neutronach prędkich o energiach głównie z zakresu 50 – 100 keV.
• Paliwo jądrowe (w postaci metalu, węglików lub tlenków, ceramik):
• reaktor pracujący na uranie naturalnym,
• reaktor pracujący na uranie wzbogaconym,
• reaktor pracujący na ^{239 232} Pu,
• reaktor pracujący na ²³² Th (ściślej ²³³U).
• Rozmieszczenie paliwa jądrowego:
• reaktor jednorodny,
• reaktor niejednorodny.
• Moderator:
• reaktor wodny,
• reaktor ciężkowodny,
• reaktor z moderatorem berylowym,
• reaktor grafitowy,
• reaktor bez modyfikator (prędki).
• Chłodziwo
• reaktor chłodzony wodą lub inną cieczą,
• reaktor chłodzony gazem (powietrze, hel, CO₂, gaz dysocjujący),
• reaktor chłodzony ciekłym metalem (ciekły sód i jego stopy, potas, bizmut).

Należy pamiętać, że powyższy podział nie jest jedyny. Dodatkowo można wyróżnić klasyfikację ze względu na materiał koszulek, w których zamknięte jest paliwo, stopień wzbogacenia paliwa, rodzaj konstrukcji elementów paliwowych i in. Stały rozwój technologiczny zapewnia powstawanie nowych rozwiązań i sprawia, że niektóre z wymienionych reaktorów mają znaczenie jedynie historyczne.

Generacje reaktorów

I generacja reaktorów jądrowych obejmowała wszystkie te, które zostały stworzone w latach 50 i 60 ubiegłego wieku. Jednocześnie były one prototypami dla reaktorów II generacji. Pierwsze reaktory jądrowe miały konstrukcje przejęte z programów wojskowych. W czasie drugiej wojny światowej służyły głównie do produkcji plutonu. Reaktory pierwszej generacji charakteryzowały się tym, że miały możliwość przeładunku paliwa w czasie pracy reaktora, bez konieczności wyłączenia go. Były to reaktory grafitowe. Jako paliwo służył uran naturalny lub słabo wzbogacony. Woda lub dwutlenek węgla stanowiły chłodziwa.

II generacja reaktorów jądrowych (budowanych głównie od 1970 do 1990 roku) obrała sobie za cel, jak najbardziej efektywne wytwarzanie energii elektrycznej. Rozpowszechnione obecnie reaktory PWR lub BWR należą do II generacji.

Pod koniec lat 80, ubiegłego wieku, rozpoczęto badania nad wprowadzeniem szeregu zmian i udoskonaleń w zakresie budowy i działania reaktorów jądrowych, aby wejść w III generację. Ta kolejna generacja obejmuje reaktory jądrowe, które zostały zmodyfikowane i ulepszone, aby zwiększyć bezpieczeństwo, a także obniżyć koszty budowy i eksploatacji elektrowni. Współczesny, konkurencyjny rynek energetyczny powoduje, że rozwiązania wprowadzone wraz z III generacją reaktorów jądrowych obecnie się wyczerpują.

Generacja IV reaktorów jądrowych obejmuje zupełnie nowatorskie podejście w zakresie pozyskiwania energii jądrowej. Bierze pod uwagę metody, które różnią się od obecnie stosowanych rozwiązań. Wiele z nich to reaktory wodne małej i średniej mocy o oryginalnych konstrukcjach.

Reaktory jądrowe – podział ze względu na konstrukcję

Reaktory zbiornikowe

• Reaktor wodno-ciśnieniowy PWR (Pressurized Water Reactor)

Są to najpowszechniej wykorzystywane reaktory do celów energetycznych. Rdzeń reaktora PWR jest umieszczony wewnątrz zbiornika ciśnieniowego z basenem wodnym. Woda jest zarówno chłodziwem i moderatorem. Pastylki dwutlenku uranu, zamknięte w koszulce z cyrkonu (lub stali nierdzewnej) stanowią paliwo reaktora PWR. Reaktor ten posiada dwa obiegi. Obieg pierwotny stanowi woda, która obmywając pręty paliwowe, odprowadza ciepło do wytwornicy pary. Po schodzeniu, wraca do reaktora. W obiegu wtórnym, para powstająca w wytwornicy pary (ogrzewana jest obiegiem pierwotnym) porusza turbiny reaktora.

• Reaktory WWER (Wodo-Wodianoj Eniergieticzeskij Rieaktor)

Są to reaktory średniej i dużej mocy PWR, zaprojektowane w ZSRR. Konstrukcją niewiele różnią się od zachodnich. Wyposażone są w cztery warstwy ochrony przed wyciekami. Produkowane były dwa zasadnicze typy reaktorów WWER: WWER – 440 i WWER – 1000.

• Reaktor wodny – wrzący BWR (Boiling Water Reactor)

W przypadku tego reaktora, nie woda, a para wodna jest chłodziwem, a także czynnikiem roboczym. Woda w rdzeniu doprowadzana jest do wrzenia, a na wyjściu z reaktora mamy nasyconą parę, która napędza turbinę parową. Reaktory typu BWR posiadają tylko jeden obieg.

Reaktory kanałowe

• Reaktory CANDU (Canadian Deuterium Uranium)

Reaktor CANDU jest przykładem reaktora ciężkowodnego – zarówno chłodziwem, jak i moderatorem jest ciężka woda, D₂O. Jej zadaniem jest obniżenie energii neutronów. Jako paliwo, stosuje się uran naturalny (bez wzbogacenia). Reaktor CANDU został skonstruowany i zbudowany pierwotnie w Kanadzie, jako pierwszy komercyjny reaktor wykorzystujący ciężką wodę.

• Reaktory RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj)

RBMK to reaktor wodno – wrzący. Jako moderator stosowany jest grafit. Woda odbiera ciepło i po przejściu w stan pary, porusza turbiny. W reaktorze tym nie woda, a grafit moderuje neutrony prędkie. Jako paliwo stosowany jest uran naturalny, bez wzbogacenia. Mimo, że reaktor RBMK jest jednym z najekonomiczniejszych, posiada szereg wad konstrukcyjnych.

Reaktory jądrowe – podział ze względu na zastosowanie

Reaktory energetyczne – ich głównym zadaniem jest przekształcanie energii jądrowej na elektryczną. Wykorzystywane są w elektrowniach komercyjnych.

Reaktory badawcze/szkoleniowe – prowadzone są w nich przede wszystkim prace badawcze i naukowe. Reaktory badawcze pozwalają na przeprowadzanie eksperymentów dotyczących poznawania struktury ciał stałych oraz badań materiałów i paliw jądrowych dla reaktorów energetycznych.

Reaktory do celów militarnych – w wojsku reaktory jądrowe znalazły zastosowanie do produkcji plutonu dla przemysłu zbrojeniowego.

Reaktory napędowe – jednym z zastosowań energii jądrowej, jest napędzanie statków czy łodzi podwodnych. Do tego celu niezbędne są specjalnie skonstruowane reaktory napędowe.

Reaktory ciepłownicze – służą do wytworzenia potrzebnej ilości ciepła do celów grzewczych w ciepłowniach jądrowych.

Reaktory wysokotemperaturowe – w reaktorach wysokotemperaturowych wytwarzane jest ciepło, które następnie jest wykorzystywane w celach technologicznych.

Reaktory do celów specjalnych – z tego typu reaktorów korzystają głównie branże medyczne lub wybrane przemysłowe. Powstają w nich radioizotopy do specyficznych zastosowań.