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

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.

Pierwsza elektrownia jądrowa, o mocy 5 MW powstała w 1954 r. w Obnińsku (ZSRR). Produkcja prądu nie była jednak w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych głównym zadaniem elektrowni jądrowych. Pierwszoplanowym celem ich budowy była produkcja wzbogaconego materiału rozszczepialnego do produkcji broni atomowej. W latach siedemdziesiątych zaczęło gwałtownie przybywać bloków energetycznych z reaktorami atomowymi. W latach 80. i 90. XX wieku, wiele krajów wstrzymało się z podejmowaniem decyzji o budowie kolejnych bloków jądrowych. W Stanach Zjednoczonych nie rozpoczęto budowy żadnego nowego bloku od 1977. Obywatele Szwecji w referendum w 1979 roku zdecydowali o zupełnym wycofaniu się z energetyki jądrowej. Zupełnego wycofania się planują także: Królestwo Niderlandów, Niemcy, Słowenia, a Włochy plany zrealizowały już w 1990 r. Buduje się natomiast dużo reaktorów w Azji (Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa i Korea Północna, Iran, Pakistan). Jednak po roku 2000 wiele krajów zaczęło ponownie rozpatrywać możliwość budowy elektrowni jądrowych. Jest to spowodowane, głównie zobowiązaniami dotyczącymi ograniczenia emisji dwutlenku węgla, prognozami wzrostu cen paliw kopalnych, ciągłego wzrostu zużycia energii elektrycznej oraz chęcią dywersyfikacji jej źródeł. Energia jądrowa jest najbardziej skondensowanym źródłem energii z jakiego obecnie korzysta człowiek. Uważa się, że przy rozsądnym gospodarowaniu jest to także jedna z najczystszych obecnie znanych form produkcji energii, znacząco pod tym względem przewyższająca np. technologie oparte o paliwa kopalne. Szacuje się, że występujące na Ziemi zasoby uranu wystarczą na pokrycie zapotrzebowania energetycznego ludzkości na wiele tysięcy lat. Dla porównania, przy obecnym poziomie wykorzystania, paliwa kopalne wyczerpią się prawdopodobnie już za kilkadziesiąt lat.

Budowa

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(kontrolne) , które pochłaniają nadmiar neutronów. Zazwyczaj wykonane są one z boru lub kadmu. Ich zadaniem jest precyzyjna regulacja ilości neutronów. Obecne są także pręty bezpieczeństwa(awaryjne), 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.

Działanie

W prętach paliwowych, w których znajduje się uran zachodzą reakcje jądrowe:

-rozszczepienie spontaniczne jąder atomowych inicjujące reakcję rozszczepienia wymuszonego,

-wymuszony rozpad jąder atomów uranu pod wpływem neutronów,

-przekształcanie się fragmentów jąder powstałych w wyniku rozszczepienia na jądra atomowe w stanie podstawowym,

-rozpad promieniotwórczy powstałych jąder atomowych,

-emisja wymuszona, zderzeniami jąder atomowych z wysokoenergetycznymi produktami rozpadu, głównie neutronów,

-pochłanianie neutronów, przez jądra paliwa jak i powstałe w wyniku rozszczepienia jądra,

Reakcje te powodują wydzielanie energii w formie promieniowania gamma oraz energii

kinetycznej produktów rozpadu. Energie te przekształcają się w energię cieplną.

Podział

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).

---