Historia powstania reaktora jądrowego:

Historia reaktorów jądrowych sięga dziś już ponad 60 lat. Jej rozwój zawdzięczamy tragicznym wydarzeniom drugiej wojny światowej. Niestety, tak to zazwyczaj bywało w historii, iż rozwój naukowy i technologiczny nieraz był stymulowany przez działania wojenne.

W dziejach budowy reaktora jądrowego ogromna rolę odegrały odkrycia z dziedziny promieniotwórczości. Wśród nich można wymienić takie wydarzenia, jak:

- Odkrycie promieni X, nazywanych inaczej promieniami Roentgena, od nazwiska badacza, który je odkrył w roku 1895. Wydarzenie to przyczyniło się do rozpoczęcia badań nad promieniami.

- Odkrycie promieniotwórczości naturalnej przez francuskiego fizyka Antoine Henri Becquerela w roku 1893. Zjawisko to przyczyniło się do rozwoju nowej dziedziny nauki. Promieniotwórczością zainteresowała się również Maria Skłodowska - Curie, która odkryła nowe, pierwiastki radioaktywne: rad i polon.

Lata 1920 - 1938 uznaje się za okres, w którym dokonano niezbędnych dla rozwoju fizyki jądrowej odkryć.

- Zapoczątkowało je przypuszczenie Ernesta Rutherforda, że istnieje elementarna, wchodząca w skład jądra atomowego, pozbawiona ładunku elektrycznego. Tą możliwość zaprezentował w pracy naukowej, odczytanej w Bakterian Lecture 3 czerwca 1920 roku. Jego przypuszczenie zostało potwierdzone w lutym 1932 roku. Uczeń Rutherforda - Jams Chadwick przeprowadził serie doświadczeń, na podstawie których udowodnił istnienie neutronów. Odkrycie do zostało docenione i nagrodzone - w roku 1935 otrzymał Nagrodę Nobla.

- Rok 1934 przyniósł kolejne wielkie odkrycie. Fryderyk Joliot wraz z Ireną Joliot - Curie, córką Marii dokonali pierwszej w historii reakcji jądrowej. Poprzez bombardowanie atomów glinu cząstkami α, udało im się uzyskać jądra fosforu. Uważa się ich za twórców sztucznej promieniotwórczości. Ich odkrycie również zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.

- W tym samym roku - 10 maja, ogłoszono wyniki prac badawczych, przeprowadzonych przez Enrico Fermiego i jego współpracowników. Udało im się określić skład produktów naświetlania jąder uranu promieniowaniem neutronowym. Pół roku później odkrył metodę pochłaniania nadmiernej ilości tzw. wolnych neutronów.

- Niespełna dwa miesiące później Leo Szilard wynalazł sposób, w jaki można wykorzystać strumień neutronów do przeprowadzania reakcji neutronowych. Udało mu się również określić i zdefiniować pojęcie masy krytycznej.

- W grudniu 1938 roku dwóch niemieckich fizykochemików: Otto Hahn i Fritz Strassman dokonało rozszczepienia jądra atomowego. Odkrycie to zostało ogłoszone rok później w Waszyngtonie, podczas kongresu fizyków teoretyków. Wydarzenie to zainicjowało szereg badań prowadzonych w USA. Ich efektem były odkrycia Enrico Fermiego. W roku 1941 skonstruował stos podkrytyczny, stanowiący podstawę do budowy reaktora jądrowego. W e wrześniu 1942 udało mu się zbudować stos eksperymentalny, opierający się o reakcje łańcuchowe, w których współczynnik powielania neutronów był wyższy od 1.

- W grudniu 1942 roku, w Chicago, w efekcie intensywnych prac badawczych Enrico Fermiego powstał pierwszy w historii reaktor jądrowy. Zbudowany został na podstawie stosu, który zawierał: 36,3 t tlenku uranu, 350 t grafitu i 5,6 t czystego uranu. Osiągnął on maksymalną moc, wynosząc ok. 200 Watów.

Budowa reaktora jądrowego:

Reaktorem jądrowym lub reaktorem atomowym, dawniej zwanym również stosem atomowym określa się urządzenie, w którym poprzez prowadzenie kontrolowanych reakcji łańcuchowych rozszczepienia jąder atomowych uzyskuje się energię. Energia ta jest odpowiednio przetwarzana w elektrowniach jądrowych. Reaktory służą również do uzyskiwanie strumieni neutronowych, wykorzystywanych do otrzymywania izotopów promieniotwórczych. W czasie prowadzenia tych reakcji utrzymuje się tzw. stan kontrolowany, nazywany inaczej stanem krytycznym. Charakteryzuje się on stałą, określoną na danym poziomie intensywnością procesu. Jeżeli jego intensywność wzrasta, to mówi się o stanie nadkrytycznym. W przypadku obniżania się intensywności, proces taki nazywa się stanem podkrytycznym.

W celu utrzymania pożądanego stanu krytycznego, ilość neutronów efektywnych, inicjujących kolejne reakcje jądrowe musi być stała. Oznacza to, że część powstających w czasie reakcji jądrowej neutronów musi zostać pochłoniętych lub rozproszonych.

W skład typowego reaktora jądrowego wchodzi kilka podstawowych części. Wśród nich należy wymienić: rdzeń, reflektor neutronów oraz system osłon. Rdzeń stanowi serce każdego reaktora. Jest złożony z prętów kontrolnych, paliwa oraz moderatorów. Obecne są również kanały: chłodzenia oraz badawcze. Paliwo zawarte jest w prętach paliwowych, zbudowanych z substancji zawierających izotopy rozszczepialne. Zazwyczaj zawartość nuklidów promieniotwórczych jest wyższa niż w naturalnych rudach. Surowce paliwowe reaktorów jądrowych są sztucznie wzbogacane.

Do prętów kontrolnych można zaliczyć pręty bezpieczeństwa oraz pręty regulacyjne. Ich podstawowym zadaniem jest kontrola strumieni neutronowych i zapobieganie zbyt dużej intensywności procesów łańcuchowych w reaktorze. Wykonane są zazwyczaj z boru lub kadmu - pierwiastków umożliwiających pochłanianie neutronów. Różnica między prętami regulacyjnymi i prętami bezpieczeństwa polega na ich działaniu. Te pierwsze powodują ściśle określone zmiany w promieniach neutronów, natomiast funkcja tych drugich polega na szybkim zakończeniu reakcji łańcuchowej. Służą w przypadkach awaryjnych. Ich działanie polega na stosownym ich wsuwaniu i wysuwaniu.

Kolejny charakterystyczny element reaktora jądrowego stanowią moderatory, które służą do obniżania energii, emitowanych w reakcjach łańcuchowych neutronów. Funkcje moderatorów spełniają substancje o niskich liczbach atomowych. Najczęściej używa się w tym celu: grafitu, ciężkiej wody lub berylu.

Kanały chłodzące służą do przepływu przez nie substancji chłodzących, stanowiących chłodziwo pierwszego rodzaju. Funkcję taką spełniają m.in. woda, azot, powietrze.

Kanałami badawczymi przeprowadza się niezbędne kontrole. Oznacza się poziom neutronów, stan reaktora i inne.

Różne typy reaktorów jądrowych:

Istnieje kilka rodzajów klasyfikacji reaktorów jądrowych. Jednym z nich jest podział, ze względu na spełnianą przez dany reaktor funkcję. W ten sposób można wyróżnić:

  • Energetyczne reaktory jądrowe, ich zadaniem jest przekształcanie energii cieplnej uzyskanej z reakcji jądrowych na energie elektryczną lub mechaniczną (na okrętach).
  • Badawcze reaktory jądrowe to urządzenia służące do prac naukowych, jako źródła strumieni neutronów. Moc uzyskiwana w nich jest niewielka.
  • Doświadczalne reaktory jądrowe, stanowią modele eksperymentalne.
  • Produkcyjne reaktory jądrowe, ich zadaniem jest produkcja izotopów promieniotwórczych, np. plutonu.

Druga metoda klasyfikacji reaktorów jądrowych opiera się o energię i wielkość strumieni neutronów. Zgodnie wyróżnia się m.in.:

  • Wysokostrumieniowe reaktory jądrowe - o maksymalnej wartości strumienia neutronów
  • Pośrednie reaktory jądrowe - z zastosowaniem tzw. pośrednich neutronów
  • Prędkie reaktory jądrowe - z zastosowaniem tzw. prędkich neutronów
  • Termiczne reaktory jądrowe - stosuje się w nich neutrony termiczne
  • Epitermiczne reaktory jądrowe - stosuje się w nich neutrony epitermiczne