Kilka słów wstępnych. Cała współczesna historia reaktora jądrowego, urządzenia umożliwiającego przeprowadzenie w sposób kontrolowany szczególnej reakcji, jaką jest rozszczepienie jądra atomowego, rozpoczęła się ponad 60 lat temu. Rozwój techniki najczęściej był związany z wojnami, jaki ludzie przeprowadzali w przeszłości. Ważna historia badań jądrowych obejmująca okres od roku 1920 do grudnia 1938, obfitowała w odkrycia zjawisk, które stały się niezbędne w dalszych pracach nad rozszczepieniem jądrowym.
Reaktor jądrowy jest to urządzenie służące do wytwarzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej, tj. ciągłego pozyskiwania energii z rozszczepiania jąder atomowych. Stan kontrolowanej reakcji jądrowej podtrzymującej się samoczynnie na ustalonym poziomie nazywany jest stanem krytycznym. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny. Reaktor jest sterowalny i bezpieczny, gdy ma małą, dodatnią reaktywność związaną z neutronami opóźnionymi. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne, pręty bezpieczeństwa, moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze. Podstawowym elementem reaktora jądrowego są pręty paliwowe, które zawierają paliwo jądrowe w formie fizykochemicznej i o stopniu wzbogacenia dostosowanym do konstrukcji reaktora jądrowego. Moderator wykonany jest z materiałów zawierających duże ilości atomów o małej liczbie porządkowej skutecznie zmniejszających energię neutronów produkowanych w trakcie rozszczepiania. Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej - oba te rodzaje prętów wsuwa się i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby. Przez kanały chłodzące przepompowuje się chłodziwo tzw. pierwszego obiegu (typowym chłodziwem jest woda, stosuje się również powietrze, azot, ciekły sód itd.). Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów i wykonywania naświetlań.
Bliżej o reakcji rozszczepiania. Reaktor jądrowy, urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich (jądrowe reakcje łańcuchowe)na dwa lżejsze. Reakcja rozczepiania jąder zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (2m/s), zwanym neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcje energii. Część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor. W wyniku reakcji rozszczepiania (jądra rozszczepienie) w rdzeniu reaktora jądrowego wytwarza się promieniowanie jądrowe oraz ciepło. Gdy liczba neutronów powstających w reaktorze jądrowym w jednostkowym czasie w wyniku rozszczepień jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie wskutek pochłaniania i ucieczki, wówczas reaktor pracuje w stanie ustalonym (tzw. stan krytyczny reaktora jądrowego); jest to normalny stan pracy reaktora jądrowego, który można osiągnąć przy różnym poziomie produkcji i strat neutronów. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny. Nowe jądra powstające w trakcie rozszczepienia, zw. fragmentami rozszczepienia, dają początek łańcuchom rozpadów promieniotwórczych; elementy tych łańcuchów stanowią produkty rozszczepienia (olbrzymia większość z nich — kilkaset — to izotopy promieniotwórcze).
Budowa i działanie. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z:
1. Rdzenia
· Pręty paliwowe zawierają paliwo jądrowe ( zwykle granulowany tlenek uranu).
· Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej - oba te rodzaje prętów wsuwa się i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby.
Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4-5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i nie spalony uran.
· Chłodziwa-reaktory trzeba chłodzić, by odbierać produkowaną w nich energię. Chłodziwo w wymiennikach ciepła grzeje wodę w drugim obiegu, nie stykając się bezpośrednio z reaktorem. Chłodziwem może być zarówno zwykła jaki ciężka woda. Niekiedy buduje się reaktory, w których ciśnienie wody chłodzącej dobrano w ten sposób, że wrze ona, gdy przechodzi przez rdzeń reaktora. W innych woda pod ciśnieniem 100-140 atmosfer ogrzewa się nawet do 3000°C, co pozwala na znaczne podniesienie sprawności urządzenia. Chłodziwem może być również powietrze, gazy, tj. wodór czy hel, lub ciekły metal- sód, potas bądź bizmut
· Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów, wykonywania naświetlań itp.
· Moderator- w nowoczesnych reaktorach trzeba go stosować. Obecnie stosuje się trzy jego rodzaje: grafit, wodę, ciężką wodę. Jego zadaniem jest spowolnianie neutronów. Jeżeli szybkie neutrony zderzą się z jądrami lekkich pierwiastków, następuje ich spowolnienie. Na początku najczęściej stosowano grafit. Obecnie wykorzystujemy go w niektórych rodzajach reaktorów, w tym w wysokowydajnych grafitowo-sodowych, chłodzonych ciekłym sodem. Reaktory w których role moderatora pełni ciężka woda, charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów.
2. Reflektor neutronów- celem reflektora neutronów jest zwiększenie strumienia neutronów w zewnętrznych częściach rdzenia lub ładunku dzięki rozpraszaniu neutronów wstecz, do obszaru zachodzenia reakcji łańcuchowej.
3.Osłony biologiczne- zabezpieczają, żeby promieniowanie nie wydostało się na zewnątrz.
Reaktory dzielą się pod wieloma względami.
---- Ze względu na zastosowanie rozróżnia się:
1) reaktory jądrowe badawcze (o małej, tzw. zerowej mocy, wykorzystywane w badaniach naukowych jako silne źródła neutronów).
2) Reaktory jądrowe produkcyjne (służące do wytwarzania sztucznych pierwiastków promieniotwórczych na drodze aktywacji, głównie do produkcji plutonu - szczególną klasę tych reaktorów stanowią tzw. reaktory jądrowe powielające, w których paliwo jądrowe w trakcie wypalania przekształca się w inny rodzaj paliwa jądrowego).
3) Reaktory jądrowe energetyczne (wytwarzające energię cieplną przekształcaną w energię mechaniczną w napędach nuklearnych okrętów lub w energię elektryczną w energetyce jądrowej).
4) reaktory jądrowe doświadczalne (prototypy nowych rozwiązań technicznych stosowanych w reaktorach jądrowych).
---- Częstym kryterium klasyfikacji reaktorów jądrowych jest rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa - istnieją zatem reaktory jądrowe wodno-wodne, ciężkowodno-wodne (ciężka woda), grafitowo-wodne, grafitowo-powietrzne, grafitowo-sodowe itp.
---- Innym rodzajem klasyfikacji reaktorów jądrowych jest podział ze względu na wykorzystywaną energię neutronów lub wielkość ich strumienia (cechy te określają rodzaj paliwa i wiele innych parametrów reaktora). Zgodnie z tym kryterium rozróżnia się:
1) reaktory jądrowe wysoko-strumieniowe (o strumieniu neutronów przekraczającym 1014 cząstek/cm2s),
2) reaktory jądrowe prędkie (gdy reakcja rozszczepienia zachodzi dzięki neutronom prędkim, nie ma w nim moderatora, chłodziwo musi być odpowiednie by nie spowalniać neutronów)
3) reaktory jądrowe pośrednie (gdy stosuje się neutrony pośrednie),
4) reaktory jądrowe termiczne (wykorzystywane są neutrony termiczne),
5) reaktory jądrowe epitermiczne (reakcja zachodzi dzięki neutronom epitermicznym).
Ciekawostki. CP-1, Chicago Pile 1, pierwszy na świecie reaktor jądrowy uruchomiony 2 XII 1942 o 15:25 przez E. Fermiego w podziemiach stadionu piłkarskiego w Chicago. Zawierał 6 t metalicznego uranu i 34 t tlenku uranu, posiadał moderator grafitowy. Osiągał moc 200 W. W 1943 przeniesiono go do Argonne National Laboratory (ANL), gdzie po udoskonaleniach uruchomiono go ponownie jako CP-2.
Ewa pierwszy w Polsce doświadczalny reaktor jądrowy, uruchomiony w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku pod Warszawą (obecnie Instytut Energii Atomowej) dnia 14 czerwca 1958r. Była to konstrukcja radziecka, typu WWR-S, o mocy cieplnej pierwotnie równej 2 MW, gdzie paliwem był wzbogacony do 10% uran, moderatorem i chłodziwem natomiast zwykła woda. W 1963 i 1967 reaktor modernizowano, m.in. zwiększając wzbogacenie paliwa (dodając również układy zwiększające bezpieczeństwo eksploatacji), w wyniku czego jego moc cieplna wzrosła kolejno do 4 MW i 10 MW. Reaktor ten był wykorzystywany do produkcji izotopów promieniotwórczych, corocznie pracując przez ok. 3500 godz. Reaktor Ewa został zdemontowany.
Maria największy reaktor jądrowy znajdujący się w Polsce (Świerk pod Warszawą), uruchomiony w grudniu 1974. Moc cieplna reaktora Marii wynosi 30 MW. Nazwany dla upamiętnienia Marii Skłodowskiej Curie.
W pobliżu Czarnobyla znajduje się Elektrownia Jądrowa (pierwotnie im. W.I. Lenina) posiadająca 4 reaktory typu RMBK-1000 o mocy elektrycznej 1000 MW każdy.
26 kwietnia 1986 roku, o godzinie 1.23 czasu moskiewskiego, na skutek ewidentnych błędów operatora i wyłączenia systemów awaryjnych w trakcie przeprowadzania eksperymentu mającego zwiększyć bezpieczeństwo pracy reaktora, doszło do utraty kontroli nad reaktorem bloku IV.
Moc reaktora wzrosła ok. stukrotnie, co spowodowało wzrost temperatury rdzenia do ok. 2000°C i dwa kolejne wybuchy (rozsadzenie układu chłodzenia przez parę wodną i wybuch mieszaniny piorunującej, pochodzącej z rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem kontaktu z rozżarzonymi materiałami konstrukcyjnymi, np. grafitem i cyrkonem).
Wybuch rozpoczął dziesięciodniowy pożar moderatora grafitowego, w trakcie którego rdzeń reaktora stopił się, a do środowiska przedostało się kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych. Pożar ugaszono dzięki poświęceniu gaszących strażaków i wojska, 31 osób zmarło w wyniku bezpośredniego napromienienia i oparzeń, ponad 200 było hospitalizowanych w związku z chorobą popromienną.
Trzydziestokilometrową strefę wokół reaktorów ewakuowano i zamknięto, później ewakuowano też ludność z najsilniej skażonych terenów Białorusi (np. wsie w rejonie Homla odległe o ponad 200 km od reaktora).
Katastrofa w Czarnobylu była największą w dziejach katastrofą reaktora jądrowego, jednak pod względem ilości substancji promieniotwórczych wprowadzonych do środowiska ustępuje miejsca próbom z bronią jądrową prowadzonym w latach 50. i 60. głównie przez USA i były ZSRR oraz eksploatacji (w przeciągu 40 lat) zakładów przeróbki paliwa jądrowego w byłym ZSRR. W chwili obecnej w Czarnobylu reaktor IV pokryty jest ochronnym budynkiem (tzw. sarkofagiem), pozostałe trzy reaktory pracują.
Polacy nie gęsi? Polska jest krajem, w którym już w latach 80-tych rozpoczęto budowę elektrowni atomowej w Żarnowcu. Budowę zastały czasy zmiany systemu politycznego – nastała demokracja. Ludzie rośli w siłę i sprzeciwili się budowie z powodów bezpieczeństwa lub utraty atrakcyjności turystycznej – budowę wstrzymano. Dzisiaj sytuacja odwróciła się. Za budową elektrowni jest 42% ankietowanych, zaś przeciwko 38%. 22 grudnia 2004 rząd zatwierdził plan budowy elektrowni, jako niezbędny dla Polski, mający pomóc uniezależnić się od źródeł energii ze Wschodu. Ale to. Co jest zdaniem rządu konieczne i dobre dla kraju, wcale nie cieszy mieszkańców. Minęło już tyle czasu od tragicznej awarii reaktora w Czarnobylu w 1986r. Zdaniem naukowców poważna awaria nowych reaktorów może się zdarzyć raz na milion lat. Trzeba zaznaczyć że obecnie buduje się na świecie już trzecią generację reaktorów (Czarnobyl to była 2-ga generacja), a nawet trzecią plus, zaś w USA pracuje się już nad czwartą (ma być to rewolucyjna generacja elektrowni kieszonkowych o niewielkiej mocy (100 MW), będą tańsze i mniej szkodliwe dla środowiska). W Polsce ma być uruchomiona gen. 3-cia plus, tzn. EPWR – European Pressurized Water Reactor, o mocy ok. 1600 MW. Jest jeden ogromny minus elektrowni jądrowych – odpady radioaktywne. Muszą być one izolowane przez 100 tys. lat. Polska stoi również przed zadaniem wyboru lokalizacji budowy reaktora, co może mieć skutki w przypadku przyszłości kraju.