Reaktor jądrowy – budowa i zasady działania

Reaktory jądrowe są urządzeniami, których działanie jest oparte na reakcji rozszczepienia jąder atomowych izotopów niektórych pierwiastków.

Zanim więc przejdziemy do omawiania zasad działania reaktora jądrowego warto najpierw zaznajomić się z udową atomu i zasadami rządzącymi reakcjami jądrowymi. Atomy każdego pierwiastka zbudowane są z jader atomowych oraz elektronów znajdujących się na powłokach elektronowych. Wiadomo powszechnie, że każde jądro atomowe zbudowane jest z neutronów i protonów określanych wspólną nazwą nukleony. Nukleony powiązane są w jądrach siłami jądrowymi. Siły jądrowe są siłami krótkiego zasięgu i nie zależą od ładunku cząstki.

Neutrony i protony niewiele różnią się pod względem masy. Zasadnicza różnica między nimi polega na tym, że protony obdarzone są ładunkami dodatnimi natomiast neutrony są elektrycznie obojętne. Atomy tego samego pierwiastka, które w jądrach mają taką samą liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów nazywa się izotopami. Suma protonów i neutronów w jądrze atomowym to liczba masowa, natomiast liczba protonów to liczba atomowa.

Neutrony, które poruszają się z małymi prędkościami, o energii kinetycznej równej zaledwie 0.025 eV nazywane są neutronami powolnymi. Energia , która posiadają związana jest z ruchami cieplnymi tych cząstek.

Neutrony, które powstają w sposób naturalny, czyli w reakcji rozszczepienia maja zdecydowanie większa energię. Można je spowolnić dzięki przepuszczaniu wiązki neutronów przez takie materiały jak woda czy parafina. W latach trzydziestych ubiegłego wieku zaczęto zdawać sobie sprawę z faktu, iż neutrony o mniejszych energiach są dużo łatwiej absorbowane przez jądra niż neutrony prędkie. Podjęto więc próby spowalniania ich i wykorzystania tych neutronów w rozmaitych eksperymentach. W ten sposób Fermi i zespół naukowców, z którymi współpracował wytworzyli w krótkim czasie ponad 40 sztucznych izotopów promieniotwórczych.

Pod pojęciem "neutrony prędkie" najczęściej rozumie się neutrony o energii wystarczającej do zapoczątkowania reakcji rozszczepienia jądra izotopu uranu 238. Ich energia zatem musi być większa od 1.5 MeV.

To , że atom zawiera w swojej centralnej części jądro, które skupia cały ładunek dodatni wiadomo dopiero od początków ubiegłego wieku. Wtedy to mianowicie uczony o nazwisku Rutherford przeprowadzał eksperymenty polegające na przepuszczaniu wiązki cząstek alfa przez folię wykonaną ze złota. Większość cząstek swobodnie przez tą folię przechodziła, ale co jakiś czas następowało rozpraszanie cząstki alfa na folii. Mogło to oznaczać tylko jedno, że w centrum atomu skupiona jest prawie cała masa tego atomu i cały ładunek dodatni wokół którego krążą elektrony. Odkrycie to stało się podstawa do skonstruowania tzw. Modelu atomu Rutherforda.

Wyniki badań z wykorzystaniem rozpraszania wysokoenergetycznego promieniowania na jądrach atomowych pokazują , że jądra przyjmują kulisty kształt.

Siły wiążące nukleony w jądrze musza być tak silne, aby przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne między dodatnio naładowanymi protonami. Oddziaływanie między dwoma protonami jest takie samo jak między dwoma neutronami czy neutronem i protonem. Dlatego umownie nazywa się je oddziaływaniem nukleon - nukleon.

Okazuje się, że masa każdego jądra jest mniejsza od sumy mas poszczególnych nukleonów wchodzących w jego skład. Ta różnica masy zwana jest defektem lub niedoborem masy. Jest to bezpośredni dowód na istnienie energii wiązania nukleonów. Zgodnie ze wzorem Einsteina widać, że jeśli nastąpi zmniejszenie energii układu o wartość wtedy musi temu towarzyszyć także zmniejszenie masy układu o wartość . Do takiego zmniejszenia energii układu dochodzi właśnie w momencie łączenia się nukleonów w jądro. Energia układu zmniejsza się o energię wiązania jądra.

Wartość energii wiązania przypadająca na jeden nukleon jest wielkością charakteryzującą dane jądro. Jeśli dokona się analizy wartości energii wiązania na jeden nukleon dla wszystkich pierwiastków to widać, że początkowo wartość tej energii rośnie wraz ze wzrostem liczby masowej. Dzieje się tak do wartości liczby masowej około 50. jest to spowodowane faktem, że wraz ze wzrastająca liczbą nukleonów w jądrze każdy z nich jest przyciągany przez większą liczbę cząstek. Jednak po pewnym czasie energia wiązania osiąga stałą wartość wynoszącą około 8 MeV i następnie zaczyna się zmniejszać. Przyczyną tego jest krótki zasięg sił jądrowych. Najsilniej zatem związane są w jądrach nukleony w przypadku pierwiastków zajmujących środkową część układu okresowego.

Z takich zmian energii wiązania wynikają zjawiska rozszczepienia i syntezy jądrowej. Dla jąder ciężkich korzystniejszy energetycznie jest podział na dwa mniejsze jądra. Sumaryczna masa tych jąder jest mniejsza niż masa jądra macierzystego stąd wiadomo, że nukleony w tych jądrach są silniej wiązane. Dzięki temu w procesach rozszczepienia wydzielają się duże ilości energii.

Aby zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia reakcji rozszczepienia jądra ciężkiego bombarduje się je neutronami o odpowiedniej energii.

Podczas każdej reakcji rozszczepienia jądra ciężkiego powstaje na ogół kilka neutronów. Można to dostrzec analizując stosunek protonów do neutronów w jądrze rozszczepianym, które zazwyczaj zawiera nadmiar neutronów oraz w jądrach pierwiastków lekkich.

Każdy powstały neutron może wywołać kolejne reakcje rozszczepienia i w ten sposób może zostać zapoczątkowany samopodtrzymujący się proces zwany reakcją łańcuchową. Musi być jednak zapewniona odpowiednia ilość materiału, który ulega rozszczepieniu. Jest to tzw. masa krytyczna. W reaktorach jądrowych przeprowadza się kontrolowane reakcje łańcuchowe. Chodzi o to , aby utrzymać ilość rozszczepień przypadającą na jednostkę czasu na stałym poziomie. Po raz pierwszy taką reakcje udało się przeprowadzić w roku 1942. Dokonał tego Enrico Fermi.

Aby spalenie paliwa odbywało się powoli konieczne jest stosowanie odpowiednich zabezpieczeń. Wykorzystuje się specjalne materiały, które wyłapują nadmiar powstających neutronów.

Ponieważ przekrój czynny neutronów prędkich na rozszczepienie jest mały dlatego zachodzi również konieczność ich spowalniania. W tym celu stosuje się materiały zwane moderatorami.

W porównaniu więc z nakładami finansowymi poniesionymi na budowę konwencjonalnej elektrowni elektrownia atomowa wymaga na starcie zdecydowanie większych inwestycji. Ale później cena energii w niej produkowanej jest porównywalna a nawet tańsza od energii produkowanej w tradycyjny sposób. I co najważniejsze nie wymaga transportu olbrzymich ilości surowców energetycznych tak jak to ma miejsce w elektrowniach konwencjonalnych.

W budowie typowego reaktora można wyróżnić kilka charakterystycznych elementów. Najważniejszy oczywiście jest sam rdzeń, który składa się m.in. z prętów paliwowych. Pręty te zawierają materiał rozszczepialny. Konieczne są także elementy zabezpieczające czyli chociażby pręty regulacyjne , które pochłaniają nadmiar neutronów. Zazwyczaj wykonane są one z boru lub kadmu. Ich zadaniem jest precyzyjna regulacja ilości neutronów. Obecne są także pręty bezpieczeństwa, których przeznaczeniem jest zablokowanie procesów rozszczepienia w reaktorze w razie jakiejkolwiek awarii.

Paliwo jądrowe zgromadzone w prętach zazwyczaj wystarcza na okres 4 lub 5 lat. Zużyte pręty następnie muszą być odpowiednio składowane, aby nie stanowić zagrożenia skażeniem terenu. Ponieważ w reakcjach rozszczepienia powstają duże ilości energii zatem musiał zostać stworzony system chłodzący, który odbiera tą energię. Jako chłodziwo może być wykorzystywana zwykła woda, lub ciężka, wzbogacona deuterem. Jako chłodziwo mogą też być wykorzystywane gazy takie jak hel i wodór lub chociażby powietrze.

Jako elementy spowalniające szybkie neutrony w reaktorach czyli moderatory stosuje się obecnie pręty grafitowe lub ciężką wodę. Jeśli w reaktorze stosowana jest ciężka woda wówczas występują najmniejsze straty neutronów.

Poza rdzeniem w skład reaktora wchodzą także reflektory neutronów. Powodują one, ze w centrum rdzenia zwiększa się strumień neutronów.

Kolejnym elementem każdego reaktora są wszelkiego rodzaju osłony. Mają one za zadanie zatrzymanie całego promieniowania w obrębie reaktora.

Można wyróżnić kilka typów reaktorów jądrowych . Jedną z grup reaktorów stanowi grupa reaktorów lekkich. Nazwa wzięła się stąd ,że w reaktorach tych jako moderator stosowana jest zwykła woda zamiast wody wzbogaconej w deuter. Do grupy reaktorów lekkich należy reaktor wodny wrzący. Energia wytworzona w reaktorze podczas reakcji rozszczepienia powoduje przekształcanie się wody w parę wodną. Do procesu tego dochodzi w zbiorniku ciśnieniowym. Ciśnienie powstałej pary to około 7MPa. Wykorzystywana jest ona do dostarczania energii do generatora. Energia ta jest niezbędna do generowania prądu elektrycznego. Wewnątrz zbiornika umieszcza się rdzeń, przez który przepuszczana jest woda. Woda ta ulega zamianie na parę wodną. Każdy rdzeń zbudowany jest z około 800 elementów paliwowych. Pojedyncze elementy obudowane są blaszanymi pojemnikami. Do wnętrza tych pojemników woda może się przedostać dzięki otworom wykonanym w dnie pojemnika. Woda , która przedostaje się do pojemnika ma kontakt z 64 prętami. Materiałem budulcowym tych prętów jest materiał rozszczepialny. Energia, która powstaje podczas procesu rozszczepiania jąder atomowych jest przekazywana wodzie.

Do grupy reaktorów lekkich należy także reaktor wodny ciśnieniowy. W odróżnieniu od poprzedniego w reaktorze tym nie dochodzi do wrzenia wody. Jest to możliwe dzięki ogromnemu ciśnieniu osiągającemu wartość około 15 MPa. W reaktorze tym wyróżnia się dwa obiegi wody: pierwotny i wtórny, które nie kontaktują się ze sobą. Efekt taki uzyskano dzięki zastosowaniu elementu konstrukcyjnego zwanego wytwornicą pary. W związku z przekazywaniem ciepła temperatura wody z obiegu pierwotnego spada z 330 do 290 stopni C. Po ochłodzeniu woda ta wraca do reaktora w celu ponownego nagrzania natomiast woda obiegu wtórnego, doprowadzona do wrzenia stanowi napęd turbiny w generatorze. W skład reaktora wodnego ciśnieniowego wchodzi w sumie 200 elementów paliwowych, z których każdy zawiera 300 prętów paliwowych z materiałem rozszczepialnym.

Innym rodzajem reaktora jądrowego jest tzw. reaktor prędki. Jako paliwo w tym reaktorze wykorzystuje się pluton 239, który jest otrzymywany bezpośrednio w reaktorze. Zachodzi w nim bowiem produkcja neutronów prędkich, które doprowadzają do pobudzenia reakcji rozszczepienia uranu 238. Niektóre z takich neutronów są przechwytywane przez inne atomy uranu i dochodzi do przekształcenia się ich w atomy plutonu 239. W reaktorze powstaje więcej atomów plutonu niż jest to konieczne. Ta nadmiarowa ilość jest odbierana z reaktora i może służyć np. do produkcji broni jądrowej. Inna nazwa tego reaktora to reaktor powielający.

Kolejnym rodzajem reaktora jest reaktor wysokotemperaturowy. Paliwem dla takiego reaktora oprócz zwyczajowo stosowanego uranu jest także izotop toru 232. Atomy toru pochłaniają neutrony i przekształcają się w atomy uranu 233. Paliwo jądrowe wykorzystywane w tym reaktorze ma postać małych kuleczek zatopionych w kulkach wykonanych z grafitu. Jak w każdym reaktorze grafit pełni funkcję moderatora. Energia cieplna powstała podczas pracy reaktora powoduje ogrzanie gazu do wysokiej temperatury. Gazem tym może być np. hel. Ogrzany gaz powoduje z kolei parowanie wody, która napędza turbiny.

Pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany na terenie Stanów Zjednoczonych w roku 1942. Składał się z bloku wykonanego z grafitu. W jego skład wchodziły pręty wykonane z kadmu i uranu. Izotop uranu stanowił paliwo czyli materiał rozszczepialny. Natomiast pręty grafitowe miały za zadanie hamowanie neutronów, zaś kadm pochłaniał ich nadmiar.

Natomiast w roku 1951 w stanie Idaho podjęto pierwsze próby produkcji energii elektrycznej przy użyciu reaktora atomowego. Jednak to nie w Stanach Zjednoczonych powstały pierwsze elektrownie jądrowe, ale w byłym Związku Radzieckim, w Obnińsku. Było to w 1954 roku. W tym samym roku reaktor wykorzystano jako napęd łodzi podwodnej "Nautilus". Trzy lata później reaktor jądrowy posłużył jako napęd lodołamacza o nazwie "Lenin".

Na terenie Polski natomiast pierwszy reaktor uruchomiono w Świerku pod Warszawą. Jest to reaktor doświadczalny noszący imię "Ewa". Mieści się na terenie Instytutu Badań Jądrowych i obecnie jest już wygaszany. W Świerku powstał także drugi polski reaktor, "Maria" na cześć Marii Curie - Skłodowskiej. Miało to miejsce w roku 1974.

Energetyka atomowa jest niewątpliwie przyszłościowa formą pozyskiwania energii. Może jednak upłynąć jeszcze bardzo wiele czasu zanim mieszkańcy wielu rejonów, w tym także Polski przekonają się do tej gałęzi energetyki. Na taki stan rzeczy niewątpliwie ma wpływ pamiętna awaria elektrowni w Czarnobylu. Miała ona miejsce 20 lat temu, ale pozostaje nadal w pamięci wielu ludzi .

Decyzję o budowie elektrowni atomowej zlokalizowanej 20 km od Czarnobyla podjęła Rada Ministrów ówczesnego Związku Radzieckiego pod koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Miał to być nie jeden reaktor, ale cała ich sieć pozwalająca na produkcję dużych ilości energii.

Pierwszy z szeregu reaktorów zaczął pracować w roku 1977. Dzięki niemu możliwe było uzyskiwanie energii rzędu 1000 MW . Rok później uruchomiono kolejny z reaktorów. Natomiast do roku 1984 działały już cztery reaktory z sześciu, które były zaplanowane początkowo.

Reaktory pracujące w Czarnobylu były reaktorami typu RBMK. Uznano je za całkowicie bezpieczne i dlatego zaniechano środków ostrożności w postaci budowy bloków ochronnych, które uniemożliwiałyby wydostawanie się do środowiska produktów radioaktywnych. Okazuje się, że już po uruchomieniu reaktorów zostały wykryte poważne błędy konstrukcyjne. Nie podjęto jednak wtedy żadnych środków w celu zapobieżenia ewentualnej tragedii.

Jeden z błędów dotyczył całkowitego czasu opuszczania prętów regulacyjnych. Postulowany czas miał wynosić 3 sekundy, całkowitego w pracującym reaktorze trwało to aż 18 sekund.

To wszystko niewątpliwie musiało doprowadzić do katastrofy. I tak 26 kwietnia 1986 o godzinie 1.23:48 nastąpiły dwa wybuchy. Prawdopodobnie nastąpiła eksplozja pary wodnej oraz wodoru. Na skutek tego doszło do zniszczenia reaktora. W trakcie eksplozji odsunęła się płyta przykrywająca całą konstrukcją i na zewnątrz siłą wybuchu zostały wyrzucone kawałki rdzenia wraz z paliwem jądrowym. Wywołało to gigantyczny pożar. Ale nie to było najgorsze. Mianowicie do atmosfery przedostały się substancje radioaktywne. Silnemu skażeniu uległa strefa w promieniu 30 kilometrów od miejsca wybuchu. Natomiast pyły radioaktywne, które przedostały się do atmosfery dzięki jej ruchom mogły być przenoszone na duże odległości. Skażeniu uległy więc nie tylko tereny Białorusi, ale również terytoria wielu państw europejskich.

Oczywiście skutki awarii dotknęły także mieszkańców naszego kraju. Chmura niosąca materiał radioaktywny przemieszczała się nad północno - wschodnimi rejonami Polski. Po dotarciu nad Bałtyk zawróciła i ponownie przemierzyła kraj tym razem w kierunku południowym.

Określono maksymalne skażenie powietrza w Polsce. Wynosiło ono wówczas 571Bq/m. Dla porównania wartość skażenia powietrza przez awarią wynosiła około 0.1Bq/ m. Jeśli chodzi o dane dotyczące skażenia wód powierzchniowych to wiadomo , że skażenie to wyniosło 417 Bq/ m. Izotopy promieniotwórcze, które były odpowiedzialne za to skażenie to przede wszystkim jod, tellur, ruten i cez. Przy czym największy udział w tym skażeniu miał izotop jodu 131.

Obliczono wartość średnich dawek, jakie mogli przyjąć wtedy ludzie. Wartości te wynosiły 0.44 mSv w przypadku skażeń wewnętrznych i 0.51 mSv w przypadku skażeń wewnętrznych.

Obliczono również dawki na tarczycę. Dawki te jednak udało się zminimalizować dzięki wprowadzeniu specjalnego programu polegającego na podaniu do wypicia tzw. płynu Lugola zawierającego trwały izotop jodu, który absorbowany przez tarczycę zapobiegał przyłączaniu się jodu radioaktywnego.

Do roku obecnego podawano, że awaria w Czarnobylu była bezpośrednią przyczyną śmierci około 38 osób. Jednak w tym roku rozgorzała na nowo dyskusja na temat skutków katastrofy w Czarnobylu. Na jaw wychodzą coraz to nowe fakty i liczba bezpośrednich ofiar ciągle się zwiększa. Trudno w jednoznaczny sposób ocenić długoterminowe skutki oddziaływania przyjętej wówczas dawki promieniowania jonizującego. Można tylko spekulować, że np. promieniowanie to było przyczyną wystąpienia nowotworów u ludzi zamieszkałych na skażonych terenach. I tak właśnie próbuje się szacować te skutki długoterminowe.