Nuklearni reaktor

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

Nuklearni reaktori imaju mnogo primena. Jedna od najvažnijih je 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 sveta su bazirani na fisionoj reakciji i smatraju se relativno bezbednim proizvođačem električne energije sa minimalnim kratkoročnim zagađenjem životne sredine. Među ekološkim krugovima, pak, postoji izvesna zabrinutost vezana za nuklearni otpad.

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

Osnovni delovi 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 ne postoji
• 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, pre svega, potrebno je nuklearno gorivo. Toplota se proizvodi u nuklearnoj fisiji u unutrašnjosti reaktora. Kada je relativno veliko fisiono jezgro atoma (obično uranijum 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 zagrevanje vode, proizvodi se para koja pokreće turbinu koja ide do generatora električne energije. Važno je napomenuti da nuklearna eksplozija podrazumeva nekontrolisanu lančanu reakciju, dok u reaktoru nije moguće dostići ovaj nivo. Obogaćeni uranijum je prirodni uranijum u kome je povećan procenat uranijuma 235. Prirodni uranijum sadrži samo 0,72% uranijuma 235, a ostalo je uglavnom uranijum 238 (99,2745%) i malo uranijuma 234(0,0055%). Povećanjem koncentracije uranijuma 235 u prirodnom uranijumu, povećava se i verovatnoća da dođe do fisione reakcije pomoću termičkih neutrona, s obzirom da se uranijum 238 većinom raspada pomoću brzih neutrona a uranijum 235 pomoću termičkih.

Nuklearni reaktor, obično, sadrži sledeće delove:

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

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 stoga i najrasprostranjenija vrsta reaktora danas u svetu (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.

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 uranijum. Zamena goriva u reaktoru može da se sprovede i dok reaktor radi, što omogućava uštedu vremena, energije, uranijuma itd. Izgrađeni su u Kanadi mada su do danas izvezeni i u Rumuniju, Argentinu, Koreju, Indiju, Pakistan.

RBMK (Reaktor Bolьšoй Moщnosti Kanalьnogo tipa) ili LWGR (Light Water Graphite Reactor). Ova vrsta reaktora je korišćena uglavnom u Rusiji. Napravljen u cilju proizvodnje plutonijuma i električne energije. Reaktor u Černobilju je bio ovog tipa pa se zato 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 temperaturama. Reaktori su osmišljeni u Velikoj Britaniji i spadaju u grupu termičkih reaktora.

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

1. Fisiona reakcija- Većina savremenih reaktora je bazirana na fisionoj reakciji. Uglavnom se za gorivo koristi uranijum, ali se vode istraživanja i sa torijumovim ciklusom. Fisioni reaktori se mogu podeliti u dve 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 uranijumu 235, i manju verovatnoću da budu apsorbovani uranijumom 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 uranijuma 235 i veću verovatnoću da iniciraju fisiju na uranijumu 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. Fuziona reakcija - Fuziona snaga 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.

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 zbog toga može koristiti prirodni uranijum kao gorivo.

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

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

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

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 uranijum u toku fisione lančane reakcije
   • Reaktori koji proizvode radioizotope za primenu u medicini i industriji
   • Reaktori koji proizvode materijale za nuklearna oružja
5. Reaktori za istraživanja-za podučavanje studenata, razna istraživanja materijala.

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, Магнокс	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	Lakom 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

• Ciklus nuklearnog goriva
• Spisak nuklearnih reaktora

• Nauka 50: Nuklearka (RTS Obrazovno-naučni program - Zvanični kanal)