Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor je postrojenje u kome se odvija kontrolisana nuklearna lančana reakcija.

CROCUS, mali nuklearni reaktor korišten za istraživanja u EPFL, u Švicarskoj.

Nuklearni reaktori imaju mnogo primjena. Jedna od najvažnijih je, naravno, proizvodnja električne energije. Pored njih, postoje i reaktori za istraživanja. Njihova osnovna funkcija je:

1. proizvodnja radioizotopa (u industrijske i medicinske svrhe),
2. oslobađanje neutrona iz centra reaktora (za eksperimente),
3. u cilju obrazovanja i podučavanja budućih nuklearnih fizičara.

Trenutno, svi nuklearni reaktori svijeta su bazirani na fisionoj reakciji i smatraju se relativno bezbjednim proizvođačem električne energije, sa minimalnim kratkoročnim zagađenjem životne sredine. Među ekološkim krugovima, pak, postoji izvjesna zabrinutost vezana za nuklearni otpad.

Podjela nuklearnih reaktora u elektranama je izvršena na osnovu goriva koje se koristi, moderatora, hlađenja itd. Podrazumijeva se da se u dole navedenim reaktorima odvija fisiona lančana reakcija, s obzirom na to da fuzioni reaktori još uvijek nisu dovoljno istraženo područje, a još manje komercijalizovano.

Kako reaktor radi

Heterogeni nuklearni reaktor sa termičkim neutronima. Šema:
1 — Kontrolne šipke
2 — Biološka zaštita
3 — Zašita
4 — Moderator neutrona
5 — Nuklearno gorivo
6 — Prevodilac toplote

Osnovni dijelovi u jednoj nuklearnoj elektrani su:

• Nuklearno gorivo
• Moderator neutrona
• Hladnjak
• Kontrolne šipke
• Kompenzator zapremine
• Sistem za hitno hlađenje jezgra reaktora
• Sistem zaštite reaktora
• Parni generator -u reaktorima u kojima voda ključa
• Građevina u kojoj se nalazi nuklearni reaktor
• Pumpa koja pumpa vodu u parni generator
• Parna turbina
• Električni generator
• Kondenzator pare

Nuklearnoj elektrani za proizvodnju električne energije, pijre svega, potrebno je nuklearno gorivo. Toplota se proizvodi u nuklearnoj fisiji u unutrašnjosti reaktora. Kada je relativno veliko fisiono jezgro atoma (obično uranij 235 ili plutonijum 239) udareno neutronom, formira dva ili više manjih nukleusa kao produkte fisije, oslobađajući energiju i neutrone. Novonastali neutroni dovode do dalje fisije i nastanka nuklearne lančane reakcije. Kada se nuklearna lančana reakcija kontroliše, energija koja se oslobodi može da se iskoristi za zagrijavanje vode, proizvodi se para koja pokreće turbinu koja ide do generatora električne energije. Važno je napomenuti da nuklearna eksplozija podrazumijeva nekonstrolisanu lančanu reakciju, dok u reaktoru nije moguće dostići ovaj nivo. Obogaćeni uranij je prirodni uranij u kome je povećan procenat uranija 235. Prirodni uranij sadrži samo 0,72% uranija 235, a ostalo je uglavnom uranij 238 (99,2745%) i malo uranija 234(0,0055%). Povećanjem koncentracije uranija 235 u prirodnom uraniju, povećava se i vjerovatnoća da dođe do fisione reakcije pomoću termičkih neutrona, s obzirom na to da se uranij 238 većinom raspada pomoću brzih neutrona a uranij 235 pomoću termičkih.

Konstrukcija

Nuklearni reaktor, obično, sadrži sljedeće dijelove:

• Jezgro reaktora sa nuklearnim gorivom i moderatorom
• Reflektor neutrona, koji okružuje jezgro reaktora
• Provodilac toplote
• Sistem regulacije fisione reakcije, zaštita od havarije
• Zaštita od radijacije
• Sistem distantnog upravljanja

Osnovna podjela reaktora

Reaktori hlađeni i moderovani običnom vodom (H₂O)

U ovu grupu reaktora spadaju VVER, PWR (reaktor sa vodom pod pritiskom ili pressurized water reactor) i BWR (reaktor sa ključalom vodom ili Boiling Water Reactor). Smatraju se najbezbednijom i najpouzdanijom tehnologijom pa su s toga i najrasprostranjenija vrsta reaktora danas u svijetu (iako je reaktor Ostrvo Tri milje, poznat po nuklearnoj katastrofi 1979. godine, ovog tipa). Nešto niži pritisak koriste rektori s ključalom vodom. Efikasnost ovih reaktora je veća nego kod ostalih tipova reaktora, čak se smatraju stabilnijim i sigurnijim. Nažalost, ključala voda u reaktoru izaziva druge probleme. Najveći je taj, što radioaktivna voda iz reaktora može da ošteti ostale komponente i ozbiljno ugrozi osoblje oko reaktora ukoliko voda iscuri prilikom neočekivane havarije.

Reaktori moderovani teškom vodom (D₂O)

PHWR (Reaktor sa teškom vodom pod pritiskom ili Pressurized Heavy Water Reactor). Prvi reaktor ovog tipa izgrađen je u Kanadi, poznat pod nazivom KANDU. Ovi reaktori su hlađeni i moderovani teškom vodom. Zbog toga, ovi reaktori mogu da koriste i prirodni uranij. Zamena goriva u rekatoru može da se sprovede i dok reaktor radi, što omogućava uštedu vremena, energije, uranija itd. Izgrađeni su u Kanadi mada su do danas izvezeni i u Rumuniju, Argentinu, Koreju, Indiju, Pakistan.

Reaktori moderovani grafitom (C)

RBMK (Reaktor Bolьšoй Moщnosti Kanalьnogo tipa) ili LWGR (Light Water Graphite Reactor). Ova vrsta reaktora je korišćena uglavnom u Rusiji. Napravljen u cilju proizvodnje plutonija i električne energije. Reaktor u Černobilju je bio ovog tipa pa se s toga ova vrsta reaktora smatra izrazito nesigurnom i nedovoljno bezbednom.

Magnox -GCR (Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor) je gasom hlađen i grafitom moderovan reaktor. Obično, za hlađenje se koristi ugljen-dioksid CO2. U poređenju sa reaktorima koji koriste vodu pod pritiskom, ovi reaktori pokazuju veću efikasnost uprkos većim temeperaturama. Reaktori su osmišljeni u Velikoj Britaniji i spadaju u grupu termičkih reaktora.

Reaktori hlađeni tečnim metalom

Ovakav tip reaktora nema moderator i proizvodi veću količinu goriva nego što iskoristi odnosno potroši. Superfeniks reaktor u Francuskoj je ovog tipa zajedno sa Fermi-1 u Sjedinjenim Američkim Državama. Ovi reaktori koriste tečan natrijum za hlađenje i spadaju u grupu brzih reaktora. Postoje dve vrste ovih reaktora:

1. Hlađeni olovom
2. Hlađeni natrijumom

Druge podjele reaktora

Reaktor snage 1 MW

Kontrolni punkt nuklearnog reaktora

Podjela prema nuklearnoj reakciji

1. Fisiona reakcija- Većina savremenih reaktora je bazirana na fisionoj reakciji. Uglavnom se za gorivo koristi uranij, ali se vode istraživanja i sa torijumovim ciklusom. Fisioni reaktori se mogu podijeliti u dvije grupe, u zavisnosti od energije neutrona koji se koriste da iniciraju nuklearnu fisionu lančanu reakciju:

• Termički reaktori koriste spore tj. termičke neutrone. Većina reaktora je ovog tipa. Ovi neutroni imaju veću verovatnoću da iniciraju reakciju na uraniju 235, i manju verovatnoću da budu apsorbovani uranijom 238 u poređenju sa brzim neutronima koji su produkt fisione reakcije.
• Brzi reaktori koriste brze neutrone za inicijaciju fisione reakcije. Karakteristika ovih reaktora je da ne koriste moderator. Ovi neutroni imaju manju verovatnoću da dovedu do fisije uranija 235 i veću verovatnoću da iniciraju fisiju na uraniju 238. Brzi reaktori će u poređenju sa termičkim reaktorima, proizvoditi manje radioaktivnog otpada. Njihov glavni nedostatak je veoma teška izgradnja i skupa tehnika. Konstrukcija ovih reaktora je i dalje u razvoju u primerima četvrte generacije nuklearnih reaktora.

2. Fuzijsk reakcija - je i dalje u eksperimentalnoj fazi. Uglavnom, kao gorivo se koristi vodonik.

3. Radioaktivni raspad- Ovi reaktori koriste akceleratore radioizotopa i atomske baterije, koje generišu toplotu i snagu eksploatisanjem pasivnog radioaktivnog raspada.

Podjela prema tipu moderatora

1. Reaktori moderirani grafitom
2. Reaktori moderirani vodom

a) Reaktori moderirani teškom vodom

b) Reaktori moderirani običnom vodom . Ovaj tip reaktora koristi običnu vodu za hlađenje i moderiranje reaktora. Grafitni i teško vodni reaktori veoma efikasno termalizuju neutrone pa se s toga može koristiti prirodni uranij kao gorivo.

Podjela prema hlađenju

1. Reaktori hlađeni vodom
   • S vodom pod pritiskom
   • S ključalom vodom
2. Reaktori hlađeni tečnim metalima
3. Reaktori hlađeni gasom, obično helijumom

Podjela prema generaciji

1. Reaktori I generacije
2. Reaktori II generacije
3. Reaktori III generacije
4. Reaktori IV generacije

Podjela prema fazi goriva

1. Gorivo u tvrdom stanju
2. Tečno gorivo
3. Gasovito gorivo

Prema svrsi

1. Reaktori koji proizvode električnu energiju - Nuklearne centrale
2. Propulzioni reaktori
   • Nuklearne podmornice
   • Raketna propulzija
3. Reaktori koji proizvode vodonik
4. Reaktori za transmutovanje elemenata
   • Reaktori koji obogaćuju uranij u toku fisione lančane reakcije
   • Reaktori koji proizvode radioizotope za primenu u medicini i industriji
   • Reaktori koji priozvode materijale za nuklearna oružja
5. Reaktori za istraživanja-za podučavanje studenata, razna istraživanja materijala.

Pregled podjele energetskih reaktora

Tip reaktora- skraćenica	Značenje	Srpski izraz
AGR	Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor	Napredni, gasom hlađen, grafitom moderiran reaktor
BWR	Boiling water reactor	Reaktor sa ključalom vodom
ABWR	Advanced Boiling Light Water Cooled and Moderated Reactor	Napredni, lakom vodom hlađen i moderiran reaktor sa ključalom vodom
FBR	Fast Breeder Reactor	Brzi, proizvođački reaktor
GCR, Magnoks	Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor	Gasom hlađen, grafitom moderiran reaktor
HTGR	High Temperature, Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor	Gasom hlađen i moderiran reaktor sa visokim temperaturama
HWGCR	Heavy Water Cooled, Graphite Moderated Reactor	Teškom vodom hlađen, grafitom moderiran reaktor
LWGR, VVR-S, RBMK	Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor	Lahkom vodom hlađen, grafitom moderiran reaktor
PHWR, Candu	Pressurized Heavy Water Moderated and Cooled Reactor, Canada Deuterium Uranium	Teškom vodom pod pritiskom hlađen i moderiran reaktor
PWR, VVER	Pressurized Water Reactor	Reaktor sa vodom pod pritiskom
SGHWR	Steam Generating Heavy Water Reactor	Teškovodni reaktor sa vodom koja vri

Također pogledajte

• Ciklus nuklearnog goriva
• Spisak nuklearnih reaktora

Vanjski linkovi

• Nauka 50: Nuklearka (RTS Obrazovno-naučni program - Zvanični kanal)
• Reactors Designed by Argonne National Laboratory The “firsts” among these reactors were many, but they include the first man-made self-sustaining neutron chain reaction, and the first generation of electricity from nuclear energy. See also Argonne’s Nuclear Science and Technology Legacy.
• Publications on Advanced Light Water Reactors Arhivirano 28. 5. 2012. na Wayback Machine
• Uranium Conference adds discussion of Japan accident
• Boiling Water Reactor Plant Technology Education — Includes the PC-based BWR reactor simulation.
• World Nuclear Fuel Facilities
• How Nuclear Power Works
• The Pebble Bed Modular Reactor — Whyfiles.org – On a bed of pebbles Arhivirano 18. 1. 2010. na Wayback Machine
• World Nuclear Association — How it Works
• A Debate: Is Nuclear Power The Solution to Global Warming?
• Union of Concerned Scientists, Concerns re: US nuclear reactor program Arhivirano 26. 8. 2005. na Wayback Machine
• The Canadian Nuclear FAQ — informacijama veoma bogati resurs o kanadskim CANDU reaktorima.
• Annotated bibliography on Nuclear Reactors from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
• Fixed Bed Nuclear Reactor
• Freeview Video 'Nuclear Power Plants — What's the Problem' A Royal Institution Lecture by John Collier by the Vega Science Trust.
• U.S. pogoni i operateri
• SCK.CEN Belgian Nuclear Research Centre in Mol.
• Rječnik nuklearnih izraza Arhivirano 19. 12. 2011. na Wayback Machine
• American Nuclear Society — Rječnik izraza
• An Interactive VR Panorama of the cooling towers at Temelin Nuclear Power Plant, Czech Republic
• Nuclear Energy Institute — How it Works: Electric Power Generation
• North Korea's nuclear facilities by Google Earth
• Annotated bibliography of nuclear reactor technology from the Alsos Digital Library
• CAREM nuklearni reaktor
• The Georeactor Hypothesis